摘  要： 設(shè)計(jì)了合適的認(rèn)知節(jié)點(diǎn),，搭建了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)將AODV算法進(jìn)行適當(dāng)修改,，使其能夠運(yùn)行在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上,，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)模型的可行性。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知節(jié)點(diǎn),；自組織認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),；OPNET

　認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電[1]（CR）的提出實(shí)現(xiàn)了不可再生頻譜資源的再次利用，是解決通信發(fā)展瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù),。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（CRN）即認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的網(wǎng)絡(luò)化,，CRN能夠利用認(rèn)知來(lái)獲取環(huán)境信息,，通過(guò)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行處理和學(xué)習(xí)做出智能決策，并據(jù)此重構(gòu)網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng),。目前國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究還剛起步，主要集中在頻譜檢測(cè)技術(shù)和頻譜共享技術(shù)的解決方案上,，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體仿真還關(guān)注甚少,，然而，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的搭建和仿真也是該領(lǐng)域必不可少的環(huán)節(jié),。本文選用OPNET[2]仿真平臺(tái),，利用其現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)信道模型和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模型以及這些模型用于自組織認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（C-Ad Hoc）[3]所存在的對(duì)頻譜感知切換能力不足的問(wèn)題，將它們進(jìn)行合理的改進(jìn)并添加自定義模塊,，引用跨層設(shè)計(jì)思想[4],，設(shè)計(jì)出了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，搭建了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),。然后適當(dāng)改進(jìn)AODV算法[5],，將頻譜信息合理考慮進(jìn)去，使其能夠運(yùn)行在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上,，稱(chēng)作C-AODV算法,，驗(yàn)證了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可行性。
1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)信道建模
　在OPNET中,，無(wú)線(xiàn)信道通過(guò)設(shè)定無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)屬性來(lái)模擬,。對(duì)于任何可能的收信機(jī)信道，封包都被拷貝一次經(jīng)歷后續(xù)的管道階段,，圖1為發(fā)信機(jī)工作流程圖,。OPNET關(guān)于發(fā)信機(jī)設(shè)定的幾個(gè)管道階段模型有接收主詢(xún)（Rxgroup）、鏈路閉鎖（Closure）,、信道匹配（Chanmatch）,、發(fā)送天線(xiàn)增益（Txgain）和傳播延時(shí)（Propdel）。

　收信機(jī)的管道階段模型有8個(gè),，包括接收天線(xiàn)增益（Ragain）,、接收功率（Power）、背景噪聲（Bkgnoise）,、干擾噪聲（Inoise）,、信噪比（SNR）、誤碼率（BER）,、差錯(cuò)分布（Error）和錯(cuò)誤糾正（ECC）,。圖2為收信機(jī)工作流程圖。

　OPNET現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)信道模型只考慮了收發(fā)信機(jī)處于固定信道的場(chǎng)景特點(diǎn),，且限制一個(gè)接收機(jī)只能對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程模塊,，不適用于節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)切換的多信道仿真,。為解決這一問(wèn)題，本文通過(guò)在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊（CPU）內(nèi)部用指令控制收發(fā)信機(jī)對(duì)于信道的感知和多信道的自我切換,，彌補(bǔ)其多信道動(dòng)態(tài)切換能力的不足,。同時(shí)，對(duì)發(fā)信機(jī)的接收主詢(xún)和鏈路閉鎖兩個(gè)管道階段進(jìn)行改進(jìn),，在接收主詢(xún)中將處同一節(jié)點(diǎn)模塊下的收信機(jī)隔離,，以防止對(duì)自己發(fā)送數(shù)據(jù)包的情況，并增加感知收信機(jī)來(lái)模擬頻譜感知功能,。進(jìn)一步在鏈路封閉中參考信道衰落特征將認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可直接傳輸?shù)淖畲缶嚯x設(shè)定為一定范圍,，如300 m，若傳輸距離超過(guò)300 m,，則需要中繼通信,，從而模擬C-Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)。

　一般的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)（即授權(quán)用戶(hù)）不需要感知頻譜環(huán)境,，它們有自己固定的可用頻段,。而在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，非授權(quán)用戶(hù)必須有動(dòng)態(tài)地感知和切換頻譜的功能,。這就意味著認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在以下3方面不同于一般無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)：
?。?）認(rèn)知節(jié)點(diǎn)需要具備能夠感知周?chē)捎眯诺啦?duì)多信道進(jìn)行處理的能力；
?。?）認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能夠完成動(dòng)態(tài)頻率的切換,；
　（3）認(rèn)知節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到當(dāng)前工作頻段重新被授權(quán)用戶(hù)占用時(shí),，能夠迅速退出,。
　分析以上特征，可知感知檢測(cè)在物理層,。而鄰節(jié)點(diǎn)分析處理和路由決策控制又分屬鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層,，上下層之間信息交流頻繁，為此,，需要引進(jìn)跨層設(shè)計(jì)思想來(lái)設(shè)計(jì)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)模型,。
本文的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)分為3類(lèi),，依次是源節(jié)點(diǎn),、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，其共性體現(xiàn)在3大基本功能上,。
?。?）信道沖突檢測(cè)功能
　信道沖突檢測(cè)功能[6]即載波監(jiān)聽(tīng)功能。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中,，每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)都具備多帶載波監(jiān)聽(tīng)功能,。利用此功能,，認(rèn)知用戶(hù)可以檢測(cè)當(dāng)前某些頻段上各個(gè)頻率的使用情況，進(jìn)而選擇其中最優(yōu)頻率工作,。認(rèn)知用戶(hù)通過(guò)載波監(jiān)聽(tīng)功能避免了在頻率使用過(guò)程中與相應(yīng)主用戶(hù)之間產(chǎn)生信道沖突,。此功能在自定義CPU模塊中嵌入。
?。?）計(jì)時(shí)功能
　路由的建立需要一定的時(shí)間,，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)出路由請(qǐng)求之后需要進(jìn)入特定時(shí)間的等待中，如果在一定時(shí)間內(nèi)路由沒(méi)有成功建立,，源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行路由請(qǐng)求,。因此，節(jié)點(diǎn)需要具備計(jì)時(shí)功能,。此功能在自定義CPU模塊中嵌入,。
　（3）節(jié)點(diǎn)移動(dòng)功能
　在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,，主用戶(hù)既可以是移動(dòng)用戶(hù)也可以是非移動(dòng)用戶(hù),，為了讓建立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更符合實(shí)際的拓?fù)渥兓闆r，該網(wǎng)絡(luò)中的所有認(rèn)知用戶(hù)都需具備可移動(dòng)的功能,。此功能通過(guò)選擇OPNET無(wú)線(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)嵌入,。
　除此之外，源節(jié)點(diǎn),、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)又各有自身的特點(diǎn),，下面以信道建模和節(jié)點(diǎn)建模中存在的問(wèn)題及解決方法為引導(dǎo)，分別加以分析,。
?。?）源節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　圖4所示為源節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域模型，包括RREQ包產(chǎn)生模塊source_generate,，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊source_send,，對(duì)主用戶(hù)的檢測(cè)模塊src_chk，收發(fā)機(jī)source_start,、source_receive,、chks_rcv以及天線(xiàn)src_ant和chks_ant。由于該仿真軟件限制,，一個(gè)接收機(jī)只能對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程模塊,，因此，此處設(shè)置了兩部收信機(jī),，一部對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊的信號(hào)接收,，一部負(fù)責(zé)主用戶(hù)檢測(cè)模塊的信號(hào)接收。source_generate負(fù)責(zé)創(chuàng)建新的RREQ包并傳送到source_send模塊，source_send負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)相關(guān)信息的記錄及收發(fā),，src_chk負(fù)責(zé)在源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送需要時(shí)檢測(cè)主用戶(hù)的活動(dòng)情況以判斷可用頻率,。

　（2）中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　圖5為中繼節(jié)點(diǎn)relay1的節(jié)點(diǎn)域模型,。其中relay1_ant和chk1_ant是天線(xiàn),，relay1_rcv、relay1_send和chk1_rcv是收發(fā)機(jī),，relay1_pro是數(shù)據(jù)處理模塊,，relay1_pri_check是對(duì)主用戶(hù)活動(dòng)的檢測(cè)模塊。relay1_pri_check在接收到relay1_pro的命令時(shí)啟動(dòng)對(duì)主用戶(hù)信號(hào)檢測(cè)功能,，檢測(cè)主用戶(hù)是否在使用其授權(quán)頻率,。若主用戶(hù)不在使用其授權(quán)頻率，則relay1_pri_check通知relay1_pro繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),；若主用戶(hù)在使用其授權(quán)頻率,，則換頻再檢測(cè)直到找到可用頻率再通知relay1_pro繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　這3類(lèi)節(jié)點(diǎn)的跨層設(shè)計(jì)體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)域模型上,，其中收發(fā)機(jī)以及天線(xiàn)屬物理層模塊,，負(fù)責(zé)感知外界環(huán)境，掃描信道信息,，并將信道信息傳至上層,，同時(shí)還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。CPU模塊同時(shí)完成鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能,，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行選路的時(shí)候需要聯(lián)合物理層來(lái)感知信道信息,，通過(guò)雙向的信息反饋來(lái)判斷并最終決定合適的信道，然后由物理層完成合適信道的切換,，鏈路層實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)相應(yīng)信道的接入,，最后完成路由控制包的發(fā)送和接收。
3 C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)建模
　本文的主要工作是搭建C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),，然后采用C-AODV算法來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的可行性,。圖7所示為搭建的C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)屬于異構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),。其中prim_1和prim_2表示主用戶(hù),，虛線(xiàn)所示為它們的功率覆蓋范圍，假設(shè)它們各自的授權(quán)頻率為f1和f2（如30 MHz和40 MHz）,。主用戶(hù)采用ON-OFF工作模式,，主用戶(hù)1每隔t1時(shí)間工作一次，主用戶(hù)2每隔t2時(shí)間工作一次,，工作時(shí)間均為t3,；其余5個(gè)節(jié)點(diǎn)為次用戶(hù)節(jié)點(diǎn)，其中src為源節(jié)點(diǎn),，dest為目的節(jié)點(diǎn),，relayi（i=1，2,，3）分別是路由中繼節(jié)點(diǎn),，它們?cè)谠垂?jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間成功建立通信路由，如圖中的路徑1和路徑2,，每條鏈路可用的頻率均為f1或者f2,。圖中黑粗箭頭代表中繼節(jié)點(diǎn)3在仿真中的移動(dòng)軌跡。

4.2 仿真結(jié)果
　為了研究路由建立與外部環(huán)境的關(guān)系,，在仿真過(guò)程中,，假定尋路過(guò)程不斷進(jìn)行。
　圖10為仿真進(jìn)程中的部分消息顯示,。從圖中方框中的內(nèi)容可以看出,，這條成功路由是src-relay2-relay3-dest，共3跳,，通信頻率均為30 MHz,，符合圖9關(guān)于路徑2的理論假設(shè)。

　兩跳路由與3跳路由的路徑不同但對(duì)通信頻率的選擇相似,，兩跳路由的路徑是src->relay1->dest,，通信頻率可以是30 MHz也可以是40 MHz，根據(jù)節(jié)點(diǎn)周?chē)h(huán)境來(lái)決定,。兩跳路由符合圖9關(guān)于路徑1的理論猜想,，此處不再圖示。
　圖11和圖12是仿真8 min,，在有無(wú)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下每條成功路由所需要的跳數(shù),。圖11是無(wú)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況，總共12次成功建立路由,，其中3跳路由10次,，2跳路由兩次。3跳路由比2跳路由更容易建立,，這是因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)relay1同時(shí)在主用戶(hù)1和主用戶(hù)2的通信范圍內(nèi),，當(dāng)主用戶(hù)活動(dòng)的時(shí)候，relay1必須避開(kāi)相應(yīng)頻率以防止對(duì)主用戶(hù)產(chǎn)生干擾,，頻率的不可用讓relay1在源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的通信鏈路上變得不可用,，因而2跳路由建立次數(shù)較少。圖12是中繼節(jié)點(diǎn)relay3在仿真進(jìn)行5 min后開(kāi)始沿著圖9箭頭方向移開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的路由建立情況,。從圖12中可以看出,，在仿真進(jìn)行300 s之后，路由成功次數(shù)比圖11少，且由圖11中的3跳2跳不定變?yōu)槿恐挥?跳,。圖12出現(xiàn)這樣的差別是因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)relay3在仿真進(jìn)行5 min（300 s）后移開(kāi)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致路由src-relay2-relay3-dest不可用,，只有路由src-relay1-dest可用。又因?yàn)閞elay1受主用戶(hù)工作影響較大,，所以路由成功的次數(shù)也較圖11降低了,。

　本文利用OPNET原有模型，將其修改并添加模塊,，設(shè)計(jì)出了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)并成功搭建C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),，運(yùn)用C-AODV算法驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)的可行性。下一步將以此網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為基礎(chǔ),，繼續(xù)研究認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)化問(wèn)題,。
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