论文总字数：24784字

摘 要

近来，WiFi、Zigbee等各种无线应用的发展，满足了不少移动用户办公、娱乐的需求，但却给无线网络带来了越来越大的频谱压力。1999年，认知无线电技术的出现有效地缓解了频谱利用效率的问题。然而人们研究的重点主要是网络的物理层和MAC层，而对网络层的路由算法研究较少。

本文主要研究多跳、多信道网络环境下，基于动态频谱接入的路由算法。首先介绍课题的相关概念和现有的基于节点位置信息的典型路由算法GPSR。接着深入探讨具有频谱感知能力的认知机会路由（OCR）协议，该协议根据信道使用情况的统计数据联合选择可用信道与下一条转发链路。最后，通过Matlab软件对机会路由协议进行性能评估，并比较OCR与GPSR协议的转发成功率。结果表明OCR协议在认知吞吐量、传输可靠性等方面性能优越。

关键词：路由算法 CRSNs 频谱感知 多跳传输

Research on Spectrum-Aware Routing Algorithm in CRSNs

Abstract

In recent years, the development of various wireless applications, such as Zigbee and WiFi, meets the demands of many mobile users for entertainment and office. But it also brings the wireless networks with growing pressure on scarce spectrum. With the appearance of cognitive radio technology in 1999, the problems of spectrum use was effectively alleviated. But many researchers focus more their eyes on the media access control layer and physical layer than routing algorithm in network layer.

This thesis studies the routing algorithm in multi-channel and multi-hop networks based on the dynamic spectrum access. Firstly, it introduces a series of conceptions about the subject and a typical routing algorithm (GPSR) based on the geographic location information. And then it analyzes an opportunistic cognitive routing protocol (OCR) in which forwarding links and available channels are selected based on channel usage statistics. Finally, it evaluates the performance of this protocol with MATLAB simulation, comparing the probability of successfully forwarding between GPSR protocol and OCR protocol. The results show that OCR has a better performance in throughput and transmission reliability.

Keywords: Routing algorithm; CRSNs; Spectrum-aware; Multi-hop transmission

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 2

1.3 研究挑战 2

1.3.1 认知无线电网络 2

1.3.2 路由算法的设计 3

1.4 本文组织结构 4

第二章 基本概念与相关工作 5

2.1 相关概念 5

2.1.1 认知无线电技术 5

2.1.2 路由指标 8

2.1.3 路由算法 9

2.2 研究工作 10

2.2.1 认知无线电网络 10

2.2.2 路由算法 10

2.3 本章小结 11

第三章 认知机会路由协议OCR 12

3.1 引言 12

3.2 模型描述 12

3.3 认知机会路由协议(OCR) 14

3.3.1 协议描述 14

3.3.2 协议分析 15

3.4 最大认知传输吞吐量算法 19

3.4.1 认知传输吞吐量 19

3.4.2 启发式算法 20

3.5 本章小结 24

第四章 OCR协议的性能分析与评估 25

4.1 引言 25

4.2 仿真场景设置 25

4.3 仿真结果分析 26

4.3.1 节点分布 26

4.3.2 PU影响 27

4.3.3 认知传输吞吐量 28

4.3.4 转发成功率 29

4.4 本章小结 31

第五章 总结与展望 32

5.1 本文总结 32

5.2 工作展望 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1 研究背景

在无线通信技术迅猛发展的时代，人们的日常生活已离不开无线网络的支持。WiFi（Wireless Fidelity）作为一种无线传输技术更是与我们息息相关，商场、学校、高级宾馆，甚至豪华住宅区等，WiFi热点无处不在。只要拿出一个笔记本电脑、智能手机或者平板，打开无线网，输入密码，立马就可以享受到网上冲浪的快感。简单方便，又省了通过运营商网络上网的流量，满足了不少移动用户办公、娱乐的需求。为此，无线热点蔓延迅速，用户数量逐渐增大。但是，这种现象同时也给无线网络的发展带来了巨大的挑战：网络安全如何维护、热点干扰如何避免、用户需求怎样协调……还有，无线频谱紧缺问题如何缓解、有限资源怎样分配。

单个WiFi应用范围就如此广泛，更不用说其他无线技术的应用，如蓝牙、Zigbee、无线USB等。无线应用之间相互竞争、相互抢占资源，这不得不让我们再一次将焦点移至频谱紧缺的问题上。另一方面，据相关学者的调查，目前已授权的频谱资源覆盖并不全面，未授权的频段又因为大范围的个人区域网络变得拥挤。很多已分配的频段实际上只是在某些部分、某些时段被占用，造成了很大的资源浪费^[1]。就像我们的城市道路一样，如果一些车道被划分出来做特殊情况使用，这就可能造成其他车道在车流高峰时段拥挤。所以，需要重新对频谱资源进行管理，有效地利用那些未被合理利用的频谱完成其他业务，这样，既缓解了用户没有资源的烦扰，又减少了不必要的浪费。

面对频谱稀缺与频谱利用率不高的现状，Joseph Mitola 博士提出了认知无线电（Cognitive Radio，简称CR）的概念^[2-4]，有效地缓解了无线用户与频谱资源不平衡的问题。通过周期性的频谱感知，次级用户（Secondary user，简称SU ）可以在不干扰主用户（Primary user，简称PU）活动的情况下，伺机占用授权频段进行通信。当然，可用频谱一般波动性比较大，加上频谱利用还需要满足不同用户的服务质量（Quality of Service，简称QoS）需求，认知无线网络的研究面临着一定的困难与挑战。

1.2 研究意义

近年来，随着无线技术的发展，学术界越来越关注对CRN的研究。前期的研究工作主要关注单跳无线网络，而后来研究人员发现，认知网络可以用在多跳环境下^[5]。另外，前期对认知无线传感器网络的研究大多数集中在对物理层、媒体接入层的设计与改进上，而对路由层的路由算法和协议的研究相对较少^[6,7]。况且，现有的一些路由算法主要建立在预先设定好的端到端路由表的基础上，不适合将其应用到信道多变的网络环境。比如次级用户在利用信道传输数据时，主用户有所活动，次级用户就需要想方设法切换到其他信道上维持通信，路由表就需要进行更新，切换次数越多，路由表更新越频繁，时延、开销也随着增加，大大降低了通信性能。

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