基于公共控制信道的認(rèn)知無(wú)線電Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC和路由協(xié)議設(shè)計(jì).pdf

1、目前自然可用的頻譜非常稀缺和昂貴，為了有效的利用可用頻譜，現(xiàn)存的頻譜分配及管理方案需要改進(jìn)。為了在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用CR，我們需要更新已有的TCP/IP協(xié)議棧，這樣系統(tǒng)可以支持動(dòng)態(tài)頻譜接入，頻譜切換以及SDR功能等。這樣，在已有的傳統(tǒng)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中，每一層的TCP/IP協(xié)議棧都需要修改或者重新設(shè)計(jì)。
　　在現(xiàn)階段的CR-MAC和路由協(xié)議研究中，CCC的設(shè)計(jì)使用帶內(nèi)或帶外overlay頻段。對(duì)于現(xiàn)有帶內(nèi)情況，由于逐跳和群CCC覆蓋的

2、影響，多信道隱藏終端的干擾是不可避免的，并且信道交匯時(shí)間（次數(shù)）會(huì)隨著主用戶信道數(shù)的增加而增加，最終導(dǎo)致控制開銷的增加和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的減小。另一方面，現(xiàn)有的帶外CCC易受入侵攻擊，這將導(dǎo)致單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)故障。此外，帶外(2.4 GHz ISM) CCC還會(huì)飽和，并受到其它技術(shù)干擾，如WI-FI和藍(lán)牙。這些清楚的表明現(xiàn)有的CR-MAC和路由協(xié)議并沒有給CCC設(shè)計(jì)足夠的重視，而考慮節(jié)點(diǎn)同步、信道交匯時(shí)延、認(rèn)知控制信息開銷、控制信道的飽和與入侵襲擊等

3、問題的CCC設(shè)計(jì)是非常有意義的。基于以上分析，為了克服現(xiàn)有CR-MAC和路由協(xié)議存在的問題，本文研究“認(rèn)知無(wú)線電ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中基于低速率和混合CCC的CR-MAC和路由協(xié)議”設(shè)計(jì)問題。本文工作主要通過(guò)減少M(fèi)AC層和網(wǎng)絡(luò)層的鏈接、端對(duì)端認(rèn)知和控制信息延時(shí)，增強(qiáng)鏈接和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。為了解決CRAHNs中的現(xiàn)存CCC設(shè)計(jì)問題，本文提出了兩個(gè)基于CCC的鏈路層CR-MAC協(xié)議以及兩個(gè)基于CCC的網(wǎng)絡(luò)層CR路由協(xié)議。
　　首先，本文提出了

4、基于低速率節(jié)能CCC的路由協(xié)議。為了進(jìn)行信道-路徑選擇和CR節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)信息交換，現(xiàn)有的認(rèn)知無(wú)線電協(xié)議要么使用2.4GHz的未授權(quán)專用CCC，要么使用已授權(quán)的主用戶空閑CCC。對(duì)于授權(quán)CCC，逐跳的或成群的CCC覆蓋區(qū)域?qū)е露藢?duì)端信道-路徑選擇時(shí)間和CR節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)時(shí)間升高。專用的2.4GHz未授權(quán)CCC受限于信道飽和和其它服務(wù)的干擾。因此，2.4GHz上的CCC使用情況是十分擁擠的，這會(huì)導(dǎo)致鏈路故障和路由控制開銷的增加，從而降低路由協(xié)議的性能

5、。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)一些存在于低頻段的未授權(quán)頻帶(433MHz/902MHz)尚未得到充分利用。本文提出的方案正是利用低頻段的未授權(quán)頻帶（902-928MHz(美國(guó))或者915-917MHz ISM頻段（中國(guó)））作為低速率AODV(Ad-Hoc On Demand Distance Vector)公共控制信道，用來(lái)廣播路由控制（信道-路徑）信息和CR協(xié)調(diào)信息，這樣可以減少信道跳數(shù)、鏈接故障數(shù)、路由開銷和端對(duì)端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。這樣，基于低速

6、率CCC的AODV協(xié)議可以通過(guò)減少跳數(shù)和最小化認(rèn)知控制開銷來(lái)選擇節(jié)能的信道和路徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于低速率CCC的AODV路由協(xié)議性能優(yōu)于現(xiàn)有的基于帶內(nèi)和帶外CCC的路由協(xié)議。
　　其次，本文提出了基于混合CCC的CR-MAC協(xié)議。CR-MAC中不完全節(jié)點(diǎn)同步導(dǎo)致的多信道隱藏終端問題是CRAHNs動(dòng)態(tài)信道可用性的關(guān)鍵問題。許多現(xiàn)有的CR-MAC協(xié)議使用基于帶內(nèi)或帶外overlay頻段的CCC設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建立、CR協(xié)調(diào)信息交換和CR

7、節(jié)點(diǎn)同步。帶內(nèi)CCC情況下，鄰居發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間將會(huì)非常長(zhǎng)，尤其是當(dāng)可用的主用戶空閑頻段數(shù)目非常多的時(shí)候。而且，在基于逐跳和基于群的CCC設(shè)計(jì)中，多信道隱藏終端問題和節(jié)點(diǎn)同步問題不能得到有效解決。帶外CCC情況下，利用專用未授權(quán)控制信道的網(wǎng)絡(luò)建立與帶內(nèi)技術(shù)相比是相對(duì)較快的。這樣由于全網(wǎng)協(xié)調(diào)沒有信道切換延時(shí)，CR節(jié)點(diǎn)的同步問題將會(huì)得到改善。但是，帶外CCC受限于信道飽和、入侵襲擊和其它無(wú)線服務(wù)的干擾，這將會(huì)嚴(yán)重影響CR網(wǎng)絡(luò)性能。即便是通

8、過(guò)低速率帶外CCC設(shè)計(jì)使信道飽和問題得到解決，系統(tǒng)仍然易受到入侵攻擊以及安全損耗等問題。為了克服這些問題，本文提出了基于混合CCC的MAC協(xié)議，該協(xié)議能夠在CR節(jié)點(diǎn)同步、多信道隱藏終端和網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)間等方面提高CR網(wǎng)絡(luò)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提的基于異構(gòu)CCC的MAC協(xié)議性能優(yōu)于現(xiàn)有的多主用戶空閑信道的帶內(nèi)CCC-MAC協(xié)議和飽和帶外CCC-MAC協(xié)議。
　　再次，本文利用方向性天線，提出了基于節(jié)能混合CCC的CR-MAC協(xié)議。在CR

9、-MAC協(xié)議中的發(fā)送功率消耗和應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量直接受到控制信息開銷和CCC設(shè)計(jì)的影響。因此，CR-MAC層中的CCC設(shè)計(jì)在選擇節(jié)能信道-路徑方面起到至關(guān)重要的作用。對(duì)于帶內(nèi)情況，由逐跳和群CCC覆蓋引起的不完全節(jié)點(diǎn)同步導(dǎo)致了系統(tǒng)功率損耗增加，這是由于多信道隱藏端數(shù)據(jù)包的丟失和網(wǎng)絡(luò)接入延時(shí)的增長(zhǎng)造成的。另一方面，受信道飽和與入侵攻擊的影響，基于帶外CCC的全局覆蓋也將會(huì)導(dǎo)致功率消耗增加。因此，為了克服現(xiàn)有問題，本文提出了一種基于節(jié)能混合CC

10、C的全向用于控制，定向用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃R-MAC協(xié)議，其目的是減少由于鏈接接入開銷、多信道隱藏終端、數(shù)據(jù)死鎖和頻譜切換導(dǎo)致的功率消耗。在該方案中，全球定位系統(tǒng)(Global PositioningSystem，GPS)的天線位置信息和到達(dá)角(Angle of Arrival，AoA)信息被用于方向性數(shù)據(jù)傳輸，而混合CCC被用于避免多信道隱藏終端的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有帶有全向天線的基于帶內(nèi)/帶外CCC的CR-MAC協(xié)議相比，所提的帶

11、有方向性天線的基于混合CCC的CR-MAC協(xié)議不僅提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且降低了發(fā)送功率。
　　最后，本文提出了基于方向性天線和混合CCC的AODV路由協(xié)議。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)層的端對(duì)端吞吐量和節(jié)點(diǎn)能量消耗是與CCC特性和所選用的信道和路徑有關(guān)的。因此，新的基于CCC的CR-AODV路由協(xié)議在選擇節(jié)能最短端對(duì)端信道和減少路徑開銷方面起著重要作用。現(xiàn)有的路由協(xié)議是在全向模型下利用帶內(nèi)或帶外的overlay頻段進(jìn)行CCC設(shè)計(jì)?；趲?nèi)CCC的逐跳

12、和群覆蓋將導(dǎo)致更高的端對(duì)端信道切換延時(shí)和更多的多信道隱藏終端數(shù)據(jù)包丟失。另一方面，基于帶外CCC的全局覆蓋伴有信道飽和與入侵襲擊等問題，這將導(dǎo)致高控制開銷進(jìn)而增加節(jié)點(diǎn)功率消耗。為了克服這一點(diǎn)，我們針對(duì)AODV路由協(xié)議提出了一個(gè)全向用于控制信息和定向用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕旌螩CC設(shè)計(jì)方案。它可以減少端對(duì)端信道-路徑功率消耗，避免隱藏終端數(shù)據(jù)包的丟失以及最小化頻譜切換數(shù)據(jù)包丟失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有的其它帶內(nèi)/帶外全向CR路由協(xié)議相比，提出的基于