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1、 认知网络 第五章,认知无线电路由协议,内容提要,无线网络简介,认知无线电路由协议的问题,Ad hoc 中的按需路由协议,认知无线电路由影响因素,认知无线电研究现状,退出,无线网络简介,目录,两种无线网络介绍：,Ad hoc网 一种多跳的、无中心的、自组织无线网络。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。,多跳网络：在无线网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。,ad-hoc网络示意图,单跳网络：传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通
2、过一条与AP相连的无线链路来访问网络，形成一个局部的BSS。用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)。,无线网络简介,目录,两种无线网络介绍：,mesh网络 由mesh routers（路由器）和mesh clients（客户端）组成，其中mesh routers构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。,多跳网络：在无线网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。,mesh网络示意图,mesh网络 在
3、无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。,认知无线电路由协议的问题,目录,无线网络路由问题： 避免环路（方法：同一ID号路由消息只转发一次） 按需路由（不维护每个节点到其他节点的路由，需要发送数据时再建立路由） 先验式路由（每个节点尽可能维护到其他所有节点的路由信息） 安全（通信内容容易被监听，分组头被伪造）,无线网络的问题： 无线信道的时变特点、传输带宽有限、移动节点能量有限、频带的动态可用性、可用时间不确定。,认知无线电路由协议的问题,目录,问题： 路由选择和频谱分配，以及如何协
4、调。,去耦合方式：路由选择和频率分配独立进行。,联合设计方式：路由选择和所使用的频谱一起分配。,问题：路由最优和频率最优的相对性。,问题：基于跨层设计的方式，在路由发现过程中的端到端的延迟、链路的负载、所要使用的频率和正在使用的频率之间的干扰。,基于图论着色理论的分析方法：把所有候选路由集和可用频率的可能组合加以考虑，寻求最优组合,认知无线电路由协议的问题,研究难点：如何下动态变化的网络中发现一条合适的从源到目的节点的链路？,静止：可用频段，认知用户占用时间无限长。 动态：认知用户可使用的频带的不可连续性严重影响着数据的可靠传输。 高度动态/机会：认知用户只能在短暂的频带空闲期内进行机会传输。
5、,认知无线电路由设计的主要需求： 为认知传输提供可靠的无线通道，同时要保证已有主无用户的频谱优先使用权，同时考虑和预判到频带宽度和数量的动态变化.,由于认知无线电感知的主要频段的活动时间及静止时间会影响路由的选择和实现。根据主用户上的活动状态，分为3中场景：,目录,Ad hoc 中的按需路由协议,DSR 协议（Dynamic Source Routing Protocol） AODV 协议（Ad-hoc On-Demand Distance-Vector）,源动态路由协议（DSR）是一种按需路由协议，它允许网络中节点动态地发现到达目的节点的多跳路由。所谓的源路由，是指在每个数据分组的头部携带有
6、在到达目的节点之前所有分组必须经过的节点的列表，也就是分组中含有到目的节点的完整路由。,ID=5,(A),ID=5,(A),ID=5,(A),节点S发送一个包含有自己的源路由列表的路由请求分组,ID=5,(A,E),ID=5,(A,F),ID=5,(A,B),ID=5,(A,E),ID=5,(A,E,G),ID=5,(A,B,G),收到分组的节点，转发分组并在路由列表中添加自己的地址,重复直到节点D收到分组，D向S作出回应。若生命周期内为到达D,则路由请求失败。,路由发现机制：,S-D: (A,B,C) (AE) (AEG),目录,Ad hoc 中的按需路由协议,DSR 协议（Dynamic
7、Source Routing Protocol） AODV 协议（Ad-hoc On-Demand Distance-Vector）,路由维护机制：,(A,B,C) (AE) (AEG),每个节点对下一跳节点之间的链路进行监视，不可用时向上游节点发送路由错误请求分组，上游节点收到路由错误分组时，删除无效路由。,(A,B,C,D) (AE) (AEG),(A,B,C,D) (AE) (AEG),(A,B,C,D) (AE) (AEG),!,Cant reach D,Cant reach D,源动态路由协议（DSR）是一种按需路由协议，它允许网络中节点动态地发现到达目的节点的多跳路由。所谓的源路由
8、，是指在每个数据分组的头部携带有在到达目的节点之前所有分组必须经过的节点的列表，也就是分组中含有到目的节点的完整路由。,目录,Ad hoc 中的按需路由协议,DSR 协议（Dynamic Source Routing Protocol） AODV 协议（Ad-hoc On-Demand Distance-Vector）,按需距离矢量路由协议（AODV）只有当到达某目的节点的路由不存在时才会激活该协议发起路由请求使用节点序列号机制避免环路产生，每一个节点维护一个包含到达目的节点路由信息的路由表。,A无到D的路由，发送路由广播帧RREQ。,中间节点会更新各自到源节点的路由，我们称此路由为反向路由。
9、,如果收到RREQ的节点不是目的节点，并且没有到达目的节点的更新的有效路由，则转发该RREQ。,目的节点或知道有效路由的中间节点回应RREP源节点收到RREP应答帧，至此源节点可以向目的节点发送数据包。,目录,Ad hoc 中的按需路由协议,DSR 协议、AODV 协议能用于认知无线电环境下吗？,DSR 协议与 AODV 协议的设计是针对于单频点网络的，但在认知无 线电网络中由于是多频带的，因此相同链路中采用不同的载频会使得链路体现出 不同的性质，这样再把各个链路看成是等同的是不合理的。只使用某一个频段是不符合认知无线电技术要达到提高频谱利用效率这一目的的。,路由选择和频谱管理分别在网络层和M
10、AC 层上独立地执行。 在认知无线电环境下采用 DSR 协议或 AODV 协议将会忽略频谱资源的动 态变化，这样有可能造成需要频繁的路由维护和路由重寻，增加网络开销。,目录,路由的控制信息,问题： 认知节点间需要频繁交换关于频谱状态以及路由等控制信息，如何交互控制信息？,基于同步窗口： 在特定的时隙内，所有的节点都调谐到统一的频率并交换所有的控制信息。,使用特定通用频带： 选取一段低频带作为控制信道，网络上的节点周期性地接入网络以更新信道上的相关信息。,当控制信息在两个节点之间交换式，信道状态会发生变化。因此，在多跳认知无线电环境中采用机会传输时，应考虑在消耗最少资源的条件下传播控制信息，如何
11、在频带机会空闲时同步发送端和接受端。,目录,认知无线电路由协议分类,根据影响因素分类： 拓扑信息（先验式路由协议和反应式路由协议) 路由跳数(单跳路由协议和多跳路由协议） 层间合作（跨层设计和独立设计） 公共控制信道（有公共控制信道和无公共控制信道） 认知无线电网络稳定状况（静止和动态） 路由选择策略（基于目的节点路由和基于源节点） 频谱切换敏感性（切换敏感路由和切换不敏感路由） 链路特性（静态链路和动态链路） 节点间位置关系（基于簇和无位置关系） 路由处理（集中式路由和分布式路由),目录,路由协议的衡量,路由协议的衡量： 1、端到端吞吐量和时延 2、路由建立时间 3、分组递交率 4、其他（安
12、全性、稳定性、成功传送数据和发送数据比值、控制数据量和传送数据量比值）,认知无线电中要考虑的指标： 同步开销 能耗 多用户干扰 链路可靠性 负载均衡,目录,多射频多信道路由协议,单射频多信道路由协议： 每个节点只配置一个收发装置，通过切换时节点分时工作在不同的信道上。,多射频多信道路由协议，允许单个节点同时进行数据收发。提高网络吞吐量，网络可以使用更多的无线频率，多个信道传输数据。多个不同带宽，传输距离和衰落特性不一的信道可以增叫鲁棒性和连通性。,多射频多信道路由协议： 每个节点配置多个射频接口，每个接口使用有效的信道分配算法是工作在不同信道上，每个节点能够同时接收和发送数据。,目录,认知无线
13、电研究现状,文献1：提出在调度过程中通过跨层机会路由、动态频谱分配、发送功率控制达到吞吐量最大化的目标。 文献2：提出在认知用户无法完全认知所需参数的情况下选择并接入感知到的频段的策略。 文献3：提出自适应的基于强化学习的频谱感知路由协议。 文献4：提出动态频谱租借概念和一种更通用的博弈框架，通过频谱租用来。描述次用户次下每个用户的需求。 文献5：提出一种用于解决频谱共享与数据流路由的跨层最优化设计算法。 文献12：提出一种基于分层图模型的拓扑形成算法及路由协议。 文献13：提出一种基于合作市路由与频谱管理的跨层路由协议。 SORP协议：采用基于多跳认知无线电网络的频谱感知按需路由跨层联合策略。 DORP协议：一种基于时延度量标准的按需路由协议，采用按需路由与频谱调度联合交互的策略。 MSCRP协议：一种基于单射频多跳认知无线电网络的频谱感知按需路由协议。,目录,