摘  要： 設(shè)計了合適的認(rèn)知節(jié)點,，搭建了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),。通過將AODV算法進行適當(dāng)修改，使其能夠運行在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上,，仿真結(jié)果驗證了該網(wǎng)絡(luò)模型的可行性,。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知節(jié)點,；自組織認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)；OPNET

　認(rèn)知無線電[1]（CR）的提出實現(xiàn)了不可再生頻譜資源的再次利用,，是解決通信發(fā)展瓶頸問題的關(guān)鍵技術(shù),。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)（CRN）即認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)化，CRN能夠利用認(rèn)知來獲取環(huán)境信息,，通過對環(huán)境信息進行處理和學(xué)習(xí)做出智能決策,，并據(jù)此重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)適應(yīng),。目前國內(nèi)該領(lǐng)域的研究還剛起步,，主要集中在頻譜檢測技術(shù)和頻譜共享技術(shù)的解決方案上，對網(wǎng)絡(luò)的整體仿真還關(guān)注甚少,，然而,，認(rèn)知無線網(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,，利用其現(xiàn)有的無線信道模型和無線節(jié)點模型以及這些模型用于自組織認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)（C-Ad Hoc）[3]所存在的對頻譜感知切換能力不足的問題,，將它們進行合理的改進并添加自定義模塊，引用跨層設(shè)計思想[4],，設(shè)計出了認(rèn)知節(jié)點,，搭建了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。然后適當(dāng)改進AODV算法[5],，將頻譜信息合理考慮進去,，使其能夠運行在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上，稱作C-AODV算法,，驗證了C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可行性,。
1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)無線信道建模
　在OPNET中，無線信道通過設(shè)定無線收發(fā)機屬性來模擬,。對于任何可能的收信機信道,，封包都被拷貝一次經(jīng)歷后續(xù)的管道階段，圖1為發(fā)信機工作流程圖,。OPNET關(guān)于發(fā)信機設(shè)定的幾個管道階段模型有接收主詢（Rxgroup）,、鏈路閉鎖（Closure）,、信道匹配（Chanmatch）,、發(fā)送天線增益（Txgain）和傳播延時（Propdel）。

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

　OPNET現(xiàn)有的無線信道模型只考慮了收發(fā)信機處于固定信道的場景特點，且限制一個接收機只能對應(yīng)一個進程模塊,，不適用于節(jié)點動態(tài)切換的多信道仿真,。為解決這一問題，本文通過在節(jié)點數(shù)據(jù)處理模塊（CPU）內(nèi)部用指令控制收發(fā)信機對于信道的感知和多信道的自我切換,，彌補其多信道動態(tài)切換能力的不足,。同時，對發(fā)信機的接收主詢和鏈路閉鎖兩個管道階段進行改進,，在接收主詢中將處同一節(jié)點模塊下的收信機隔離,，以防止對自己發(fā)送數(shù)據(jù)包的情況，并增加感知收信機來模擬頻譜感知功能,。進一步在鏈路封閉中參考信道衰落特征將認(rèn)知節(jié)點可直接傳輸?shù)淖畲缶嚯x設(shè)定為一定范圍,，如300 m，若傳輸距離超過300 m,，則需要中繼通信,，從而模擬C-Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)。

　一般的無線節(jié)點（即授權(quán)用戶）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)知無線網(wǎng)絡(luò)中，非授權(quán)用戶必須有動態(tài)地感知和切換頻譜的功能,。這就意味著認(rèn)知節(jié)點在以下3方面不同于一般無線節(jié)點：
?。?）認(rèn)知節(jié)點需要具備能夠感知周圍可用信道并對多信道進行處理的能力；
?。?）認(rèn)知節(jié)點能夠完成動態(tài)頻率的切換,；
　（3）認(rèn)知節(jié)點在檢測到當(dāng)前工作頻段重新被授權(quán)用戶占用時,，能夠迅速退出,。
　分析以上特征，可知感知檢測在物理層,。而鄰節(jié)點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,，需要引進跨層設(shè)計思想來設(shè)計認(rèn)知節(jié)點模型,。
本文的認(rèn)知節(jié)點分為3類，依次是源節(jié)點,、中繼節(jié)點和目的節(jié)點,，其共性體現(xiàn)在3大基本功能上,。
　（1）信道沖突檢測功能
　信道沖突檢測功能[6]即載波監(jiān)聽功能,。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中,，每個認(rèn)知用戶都具備多帶載波監(jiān)聽功能。利用此功能,，認(rèn)知用戶可以檢測當(dāng)前某些頻段上各個頻率的使用情況,，進而選擇其中最優(yōu)頻率工作。認(rèn)知用戶通過載波監(jiān)聽功能避免了在頻率使用過程中與相應(yīng)主用戶之間產(chǎn)生信道沖突,。此功能在自定義CPU模塊中嵌入,。
　（2）計時功能
　路由的建立需要一定的時間,，源節(jié)點在發(fā)出路由請求之后需要進入特定時間的等待中,，如果在一定時間內(nèi)路由沒有成功建立，源節(jié)點繼續(xù)進行路由請求,。因此,，節(jié)點需要具備計時功能。此功能在自定義CPU模塊中嵌入,。
?。?）節(jié)點移動功能
　在C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，主用戶既可以是移動用戶也可以是非移動用戶,，為了讓建立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更符合實際的拓撲變化情況,，該網(wǎng)絡(luò)中的所有認(rèn)知用戶都需具備可移動的功能。此功能通過選擇OPNET無線移動節(jié)點嵌入,。
　除此之外,，源節(jié)點、中繼節(jié)點和目的節(jié)點又各有自身的特點,，下面以信道建模和節(jié)點建模中存在的問題及解決方法為引導(dǎo),，分別加以分析。
?。?）源節(jié)點設(shè)計
　圖4所示為源節(jié)點的節(jié)點域模型,，包括RREQ包產(chǎn)生模塊source_generate，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊source_send,，對主用戶的檢測模塊src_chk,，收發(fā)機source_start、source_receive,、chks_rcv以及天線src_ant和chks_ant,。由于該仿真軟件限制，一個接收機只能對應(yīng)一個進程模塊,，因此,，此處設(shè)置了兩部收信機，一部對應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊的信號接收,，一部負責(zé)主用戶檢測模塊的信號接收,。source_generate負責(zé)創(chuàng)建新的RREQ包并傳送到source_send模塊，source_send負責(zé)數(shù)據(jù)相關(guān)信息的記錄及收發(fā),，src_chk負責(zé)在源節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送需要時檢測主用戶的活動情況以判斷可用頻率,。

　（2）中繼節(jié)點設(shè)計
　圖5為中繼節(jié)點relay1的節(jié)點域模型,。其中relay1_ant和chk1_ant是天線,，relay1_rcv、relay1_send和chk1_rcv是收發(fā)機,，relay1_pro是數(shù)據(jù)處理模塊,，relay1_pri_check是對主用戶活動的檢測模塊。relay1_pri_check在接收到relay1_pro的命令時啟動對主用戶信號檢測功能,，檢測主用戶是否在使用其授權(quán)頻率,。若主用戶不在使用其授權(quán)頻率，則relay1_pri_check通知relay1_pro繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),；若主用戶在使用其授權(quán)頻率,，則換頻再檢測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類節(jié)點的跨層設(shè)計體現(xiàn)在節(jié)點域模型上,，其中收發(fā)機以及天線屬物理層模塊,，負責(zé)感知外界環(huán)境，掃描信道信息,，并將信道信息傳至上層,，同時還負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。CPU模塊同時完成鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能,，節(jié)點在進行選路的時候需要聯(lián)合物理層來感知信道信息,，通過雙向的信息反饋來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,，鏈路層實現(xiàn)節(jié)點對相應(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算法來驗證網(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)無線網(wǎng)絡(luò),。其中prim_1和prim_2表示主用戶,，虛線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）。主用戶采用ON-OFF工作模式,，主用戶1每隔t1時間工作一次,，主用戶2每隔t2時間工作一次，工作時間均為t3,；其余5個節(jié)點為次用戶節(jié)點,，其中src為源節(jié)點，dest為目的節(jié)點,，relayi（i=1,，2，3）分別是路由中繼節(jié)點,，它們在源節(jié)點和目的節(jié)點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3在仿真中的移動軌跡,。

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，在仿真過程中,，假定尋路過程不斷進行,。
　圖10為仿真進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)點周圍環(huán)境來決定。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，在有無節(jié)點移動情況下每條成功路由所需要的跳數(shù),。圖11是無節(jié)點移動情況,，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，這是因為中繼節(jié)點relay1同時在主用戶1和主用戶2的通信范圍內(nèi),，當(dāng)主用戶活動的時候,，relay1必須避開相應(yīng)頻率以防止對主用戶產(chǎn)生干擾,，頻率的不可用讓relay1在源節(jié)點到目的節(jié)點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relay3在仿真進行5 min后開始沿著圖9箭頭方向移開網(wǎng)絡(luò)時的路由建立情況,。從圖12中可以看出，在仿真進行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)這樣的差別是因為中繼節(jié)點relay3在仿真進行5 min（300 s）后移開網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致路由src-relay2-relay3-dest不可用,，只有路由src-relay1-dest可用。又因為relay1受主用戶工作影響較大,，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)計出了認(rèn)知節(jié)點并成功搭建C-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),，運用C-AODV算法驗證了網(wǎng)絡(luò)的可行性。下一步將以此網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ),，繼續(xù)研究認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)化問題,。
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