论文部分内容阅读
目前自然可用的频谱非常稀缺和昂贵，为了有效的利用可用频谱，现存的频谱分配及管理方案需要改进。为了在实际网络中应用CR，我们需要更新已有的TCP/IP协议栈，这样系统可以支持动态频谱接入，频谱切换以及SDR功能等。这样，在已有的传统ad-hoc网络中，每一层的TCP/IP协议栈都需要修改或者重新设计。 在现阶段的CR-MAC和路由协议研究中，CCC的设计使用带内或带外overlay频段。对于现有带内情况，由于逐跳和群CCC覆盖的影响，多信道隐藏终端的干扰是不可避免的，并且信道交汇时间（次数）会随着主用户信道数的增加而增加，最终导致控制开销的增加和网络吞吐量的减小。另一方面，现有的带外CCC易受入侵攻击，这将导致单点网络故障。此外，带外(2.4 GHz ISM) CCC还会饱和，并受到其它技术干扰，如WI-FI和蓝牙。这些清楚的表明现有的CR-MAC和路由协议并没有给CCC设计足够的重视，而考虑节点同步、信道交汇时延、认知控制信息开销、控制信道的饱和与入侵袭击等问题的CCC设计是非常有意义的。基于以上分析，为了克服现有CR-MAC和路由协议存在的问题，本文研究“认知无线电ad-hoc网络中基于低速率和混合CCC的CR-MAC和路由协议”设计问题。本文工作主要通过减少MAC层和网络层的链接、端对端认知和控制信息延时，增强链接和网络吞吐量。为了解决CRAHNs中的现存CCC设计问题，本文提出了两个基于CCC的链路层CR-MAC协议以及两个基于CCC的网络层CR路由协议。 首先，本文提出了基于低速率节能CCC的路由协议。为了进行信道-路径选择和CR节点协调信息交换，现有的认知无线电协议要么使用2.4GHz的未授权专用CCC，要么使用已授权的主用户空闲CCC。对于授权CCC，逐跳的或成群的CCC覆盖区域导致端对端信道-路径选择时间和CR节点协调时间升高。专用的2.4GHz未授权CCC受限于信道饱和和其它服务的干扰。因此，2.4GHz上的CCC使用情况是十分拥挤的，这会导致链路故障和路由控制开销的增加，从而降低路由协议的性能。另一方面，研究发现一些存在于低频段的未授权频带(433MHz/902MHz)尚未得到充分利用。本文提出的方案正是利用低频段的未授权频带（902-928MHz(美国)或者915-917MHz ISM频段（中国））作为低速率AODV(Ad-Hoc On Demand Distance Vector)公共控制信道，用来广播路由控制（信道-路径）信息和CR协调信息，这样可以减少信道跳数、链接故障数、路由开销和端对端数据传输延时。这样，基于低速率CCC的AODV协议可以通过减少跳数和最小化认知控制开销来选择节能的信道和路径。实验结果表明基于低速率CCC的AODV路由协议性能优于现有的基于带内和带外CCC的路由协议。 其次，本文提出了基于混合CCC的CR-MAC协议。CR-MAC中不完全节点同步导致的多信道隐藏终端问题是CRAHNs动态信道可用性的关键问题。许多现有的CR-MAC协议使用基于带内或带外overlay频段的CCC设计来进行网络建立、CR协调信息交换和CR节点同步。带内CCC情况下，邻居发现和网络建立时间将会非常长，尤其是当可用的主用户空闲频段数目非常多的时候。而且，在基于逐跳和基于群的CCC设计中，多信道隐藏终端问题和节点同步问题不能得到有效解决。带外CCC情况下，利用专用未授权控制信道的网络建立与带内技术相比是相对较快的。这样由于全网协调没有信道切换延时，CR节点的同步问题将会得到改善。但是，带外CCC受限于信道饱和、入侵袭击和其它无线服务的干扰，这将会严重影响CR网络性能。即便是通过低速率带外CCC设计使信道饱和问题得到解决，系统仍然易受到入侵攻击以及安全损耗等问题。为了克服这些问题，本文提出了基于混合CCC的MAC协议，该协议能够在CR节点同步、多信道隐藏终端和网络连接时间等方面提高CR网络性能。实验结果表明，所提的基于异构CCC的MAC协议性能优于现有的多主用户空闲信道的带内CCC-MAC协议和饱和带外CCC-MAC协议。 再次，本文利用方向性天线，提出了基于节能混合CCC的CR-MAC协议。在CR-MAC协议中的发送功率消耗和应用数据吞吐量直接受到控制信息开销和CCC设计的影响。因此，CR-MAC层中的CCC设计在选择节能信道-路径方面起到至关重要的作用。对于带内情况，由逐跳和群CCC覆盖引起的不完全节点同步导致了系统功率损耗增加，这是由于多信道隐藏端数据包的丢失和网络接入延时的增长造成的。另一方面，受信道饱和与入侵攻击的影响，基于带外CCC的全局覆盖也将会导致功率消耗增加。因此，为了克服现有问题，本文提出了一种基于节能混合CCC的全向用于控制，定向用于数据传输的CR-MAC协议，其目的是减少由于链接接入开销、多信道隐藏终端、数据死锁和频谱切换导致的功率消耗。在该方案中，全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)的天线位置信息和到达角(Angle of Arrival，AoA)信息被用于方向性数据传输，而混合CCC被用于避免多信道隐藏终端的干扰。实验结果表明，与现有带有全向天线的基于带内/带外CCC的CR-MAC协议相比，所提的带有方向性天线的基于混合CCC的CR-MAC协议不仅提高了网络吞吐量，而且降低了发送功率。 最后，本文提出了基于方向性天线和混合CCC的AODV路由协议。认知网络层的端对端吞吐量和节点能量消耗是与CCC特性和所选用的信道和路径有关的。因此，新的基于CCC的CR-AODV路由协议在选择节能最短端对端信道和减少路径开销方面起着重要作用。现有的路由协议是在全向模型下利用带内或带外的overlay频段进行CCC设计。基于带内CCC的逐跳和群覆盖将导致更高的端对端信道切换延时和更多的多信道隐藏终端数据包丢失。另一方面，基于带外CCC的全局覆盖伴有信道饱和与入侵袭击等问题，这将导致高控制开销进而增加节点功率消耗。为了克服这一点，我们针对AODV路由协议提出了一个全向用于控制信息和定向用于数据传输的混合CCC设计方案。它可以减少端对端信道-路径功率消耗，避免隐藏终端数据包的丢失以及最小化频谱切换数据包丢失。实验结果表明，与现有的其它带内/带外全向CR路由协议相比，提出的基于方向性数据传输的混合CCC的AODV路由协议可以增加吞吐量，减少功率消耗和控制开销。