基于近邻传播的认知Ad-hoc网络分簇算法

针对认知Ad-hoc网络中可用信道动态异构和缺乏全网公共信道的特点,提出了一种基于限制消息交互次数的近部传播模型(Affinity Propagation, AP)的分簇算法。该算法通过网络中相邻节点间的消息交互和更新,在相部节点最多的信道上以可用信道最多的节点为簇首建立簇结构。为适应认知Ad-ho。网络环境的变化,降低分簇开销,算法限制AP消息的交互次数,实现了分簇算法的分布式快速收敛。仿真分析表明,算法降低了网络中的簇数目,提高了簇内平均可用信道和公共信道数目,从而为分布式频谱协作提供了高效的网络拓扑环境。     

一种基于认知无线电的自组网多信道MAC协议

针对节点具有多个可用信道的自组网的信道资源利用率问题,提出了一种基于认知无线电的MAC接入协议.协议根据网络中节点的邻居关系,通过认知推理对两跳邻居范围内的不同网络节点分配不同的驻留信道.驻留信道的选择考虑了避免信道干扰和冲突,每个节点只需要两部半双工收发信机就能够实现在多个信道上高效的数据收发,同时只需很少的控制信息开销.仿真结果表明,协议在网络总吞吐量、端到端时延等方面具有优良的性能,能很好地适用于节点密集的应用场合.     

考虑网络稳定性的认知无线传感器网络分簇协议

由于频谱的动态性和自组织的组网特性,传统认知无线传感器网络的分簇协议存在分簇频率高和开销大的问题,为此提出了一种考虑网络稳定性的认知无线传感器网络分簇协议.该协议中,每个节点根据邻居节点集合和可用信道构建最大边团,根据最大边团中节点的剩余能量、节点数量和公共可用信道数计算节点权重.权重大的节点成为邻域簇首,其他节点加入邻居簇首所在簇成为簇成员.由于分簇过程中充分考虑网络能耗和频谱动态性,网络的寿命和稳定性得到显著提升.大量仿真表明,该分簇协议相对于其他协议在网络寿命和网络稳定性方面均有明显优势.     

基于M&S模型的分布式认知无线电网络时间同步机制

针对分布式认知无线电网络(DCRN)中节点时间同步的问题,提出一种基于M&S同步模型的节点协作式时间同步机制。首先,选定的主用户(PU)通过控制信道将其空闲频谱列表广播到邻居节点,以确定节点对之间的可用公共信道;然后,邻居节点以该PU节点为参考,在公共信道上发送同步信息,并通过M&S同步模型调整内部计时器,从而实现时钟同步;经过多次迭代,最终实现全网时间同步。实验结果表明,该方案能够实现DCRN的时间同步,同时具有较快的收敛速度和较低的开销。     

一种基于认知无线电的自组网多信道MAC协议

针对节点具有多个可用信道的自组网的信道资源利用率问题,提出了一种基于认知无线电的MAC接入协议,协议根据网络中节点的邻居关系,通过认知推理对两跳邻居范围内的不同网络节点分配不同的驻留信道,驻留信道的选择考虑了避免信道干扰和冲突,每个节点只需要两部半双工收发信机就能够实现在多个信道上高效的数据收发.仿真结果表明,协议在网络总吞吐量、端到端时延等方面具有优良的性能,能很好地适用于节点密集的应用场合.     

一种无线Ad Hoc网络中邻居管理协议的设计与实现

针对无线Ad Hoc网络系统的需求,基于VxWorks操作系统,设计并实现了一种基于多信道的邻居管理协议,用于实现邻居的发现、删除以及全网节点的连通性维护.测试结果表明,该协议能确保网络节点之间高效可靠地完成邻居管理功能.     

一种新的拓扑无关的按需分配多信道自组网MAC协议

本文针对节点具有多个可用信通的自组网,提出了一种与拓扑无关的多信道MAC接入协议,协议采用按需预约的方式进行动态的信道分配,通过携带在信道预约消息中的节点邻居状态信息实现节点信道状态的更新。该协议所需信道数与网络的拓扑和度无关,克服了拓朴相关的多信道MAC协议不适用于节点密集的应用场合的问题。在协议开销增加很小的情况下,每个节点只需要一部半双工收发信机就能够实现在多个信道上高效的数据收发,不需要节点间的时钟同步,极大地降低了对网络节点设备的硬件要求,具有良好的应用前景。仿真结果表明,协议在网络总吞吐量、端到端时延等方面具有优良的性能。     

基于中继节点的多跳CR Ad Hoc网络广播算法

针对避免广播冲突的CR Ad Hoc网络的分布式广播协议广播成功率低和基于选择性广播信道集的低延迟广播算法广播冲突率高的问题，提出基于中继节点选择的多跳CR Ad Hoc网络广播算法。根据节点可用信道集的大小和基于邻居度的转发概率选取中继节点，并对相应中继节点的可用信道集随机左移，在保证一定广播成功率、广播时延和广播冲突率的前提下，降低节点转发率，减少网络中的冗余信息；建立综合评价函数对广播算法的综合性能进行了定量分析；给出广播冲突概率推导。仿真结果表明，该算法与分布式广播协议相比，提高了广播成功率，降低了广播时延；与低延迟广播算法相比，降低了节点转发率和广播冲突概率。根据综合评价函数，该广播算法的综合性能更好。     

面向移动自组网的分布式认知MAC协议改进设计

针对移动自组网MAC协议未考虑节点移动性、缺乏功率控制机制、算法开销较大等问题,改进设计基于信道可维持时间的分布式认知MAC协议。新协议建立了节点存储信息结构,根据节点功率与移动速度的关系,构建信道可维持时间模型,并改进信道感知和数据传输算法,增加移动性和信道增益考虑,降低速度和功率对信道感知的影响,提高协议对移动性的适应能力。结果表明,对于中低速网络而言,该协议在不增加控制开销的基础上,丢包率、时延和频谱利用率等性能得到较大改善。     

基于稳定性的认知Ad Hoc网络路由协议

针对认知无线电Ad Hoc网络中各个节点可用频谱的多样性、时变性和差异性的问题,传统路由协议不能适用于认知无线电Ad Hoe网络,提出了一种基于稳定性的路由协议.该协议综合考虑认知无线电Ad Hoc网络特性,通过计算每个节点的稳定性并引入分集传输,进行传输模式选择和信道选择,利用包括路径稳定性、路径跳数、路径信道切换次数的路由尺度进行路径选择.仿真分析表明,该协议能减少路径信道切换次数,提高路径稳定性和路径建立成功概率.     

End-to-end protocols for Cognitive Radio Ad Hoc Networks: An evaluation study

Cognitive radio ad hoc networks (CRAHNs) constitute a viable solution to solve the current problems of inefficiency in the spectrum allocation, and to deploy highly reconfigurable and self-organizing wireless networks. Cognitive radio (CR) devices are envisaged to utilize the spectrum in an opportunistic way by dynamically accessing different licensed portions of the spectrum. To this aim, most of the recent research has mainly focused on devising spectrum sensing and sharing algorithms at the link layer, so that CR devices can operate without interfering with the transmissions of other licensed users, also called primary users (PUs). However, it is also important to consider the impact of such schemes on the higher layers of the protocol stack, in order to provide efficient end-to-end data delivery. At present, routing and transport layer protocols constitute an important yet not deeply investigated area of research over CRAHNs. This paper provides three main contributions on the modeling and performance evaluation of end-to-end protocols (e.g. routing and transport layer protocols) for CRAHNs. First, we describe NS2-CRAHN, an extension of the NS-2 simulator, which is designed to support realistic simulation of CRAHNs. NS2-CRAHN contains an accurate yet flexible modeling of the activities of PUs and of the cognitive cycle implemented by each CR user. Second, we analyze the impact of CRAHNs characteristics over the route formation process, by considering different routing metrics and route discovery algorithms. Finally, we study TCP performance over CRAHNs, by considering the impact of three factors on different TCP variants: (i) spectrum sensing cycle, (ii) interference from PUs and (iii) channel heterogeneity. Simulation results highlight the differences of CRAHNs with traditional ad hoc networks and provide useful directions for the design of novel end-to-end protocols for CRAHNs.     

基于两步决策与ε-greedy探索的增强学习频谱分配算法

在认知无线网络中,认知基站需要进行频谱管理来提升非授权用户的服务质量。基站在寻找频谱空洞分配给非授权用户的过程中,需要做出最好的选择,但极可能是局部最优解,从而造成非授权用户频繁的频谱切换和吞吐率的下降。针对此问题,本文提出基于两步决策与探索的集中式增强学习频谱分配算法。通过设计新型状态动作集,认知基站进行信道分配的两步决策,并应用探索模式,解决认知基站在增强学习过程中探索环境和利用经验进行决策的平衡问题,防止决策的局部最优,提升频谱管理的性能。仿真结果表明,该算法在提升非授权用户吞吐率以及降低频谱切换方面明显优于现有的一些频谱分配策略。     

Simulation modeling and analysis of the hop count distribution in cognitive radio ad-hoc networks with beamforming

Due to the spatial–temporal spectrum mobility in cognitive radio ad-hoc networks (CRAHNs), multi-hop communication paths among secondary users have to detour or even be disconnected to avoid interfering with primary users. Consequently, the hop count in CRAHNs shows distinguishing characteristics compared with those in conventional ad-hoc networks (AHNs). Although the influences of beamforming on the connectivity of CRAHNs have been studied in the literature, no research works on investigating the hop count in cognitive environment under the joined effect of beamforming have been conducted. In this paper, we model CRAHNs where SUs are equipped with directional antennas as geometric random graphs and then propose a framework for simulation analysis of the hop count distribution. Our proposed framework comprises of two components. The first one is an algorithm which finds all possible paths between two random secondary users selected as source node and destination node then returns the hop count of the shortest path between them by using the random values of node location and active state, antenna gain, and channel fading as input data. The second one is a methodology which returns the hop count distribution and connection probability of these two nodes from vast number of examined random network topology trials. We show that the hop count and the connectivity between two secondary users greatly depend on the number of antenna elements of directional antenna. Moreover, only a specific combination of direction antenna and beamforming scheme gives better performance than omnidirectional antenna. The observed results in this paper provide useful guidelines on designing and evaluating hop count based applications in CRAHNs with beamforming.     

基于POMDP的信道感知接入算法

在认知无线电中,为了最大化次用户的吞吐量,同时对主用户的干扰低于预定值,提出一种基于POMDP的信道感知接入算法。次用户将主用户信道在时间轴上细分成等间隔的时隙,在每个时隙开始时,次用户从频谱感知、以较高的功率接入信道和以较低的功率接入信道三种可选策略中选择最优的策略。将次用户的选择过程建模成一个POMDP问题,并采用一些相应的最优策略求解。计算机仿真结果验证了算法的有效性。     

应急通信系统中基于集群智能的动态信道分配

应急通信系统中频谱资源在时间和空间上的动态变化,使得寻找一条稳定的公共控制信道十分困难。为此,将认知无线电技术引入应急通信系统中,建立了应急认知无线电网络模型,提出一种基于集群智能的动态信道分配算法。系统中每个节点根据检测到的可用信道信噪比和邻居节点对信道的选择情况,采用信道选择更新函数,选择公共控制信道。应急通信系统中的所有节点构成一个集群,节点进行各自的信道更新并与其他节点交互形成集群智能。各节点周期性地进行消息发送与监听,依据频谱资源的动态变化及时更新公共控制信道的选择,最终达到全局公共控制信道的动态选择。仿真结果表明,算法能够达到公共控制信道的有效收敛,有很好的可扩展性,并且能够快速地适应频谱资源的动态变化。     

基于时间预测的多跳频谱切换算法研究

针对集中控制认知无线网络,在考虑频谱异构特性的同时,为保证频谱切换业务的服务质量,提出了一种多跳频谱切换算法。通过建立用户移动模型来预测分配信道的可使用时间;设计出路径中不同类型节点的路由处理方法;认知基站根据预测最短路径时间和路由请求包中的时间戳来选择最优路径。仿真结果表明,提出的多跳频谱切换算法能够大大降低切换阻塞概率,提高信道利用率;用户移动对信道可使用时间有着显著的影响。     

基于视频业务质量优化的认知无线电传输信道选择

认知无线电网络中,次级用户选择信道的传统技术基于信道特性对传输信道进行随机选择,忽略了应用层视频业务对信道质量的要求。针对该问题提出了一种基于视频业务质量优化的信道选择技术,优化视频业务端到端的传输质量。通过最小化端到端视频失真,跨层优化综合选择物理层传输信道、自适应调制与编码模式以及应用层的编码量化参数。该方法在多信道认知无线电网络下进行了大量的视频传输仿真模拟实验。实验结果表明该方法能够比不含信道选择的跨层优化方法提高认知无线电网络下次级用户的视频传输业务客观质量1.5 dB以上。     

基于能量分类器的抗SSDF攻击协作频谱感知算法

频谱感知是认知无线电通信的重要环节,SSDF(Spectrum Sensing Data Falsification)是协作频谱感知面临的严重安全威胁。SSDF攻击方式逐渐呈现动态化的趋势,传统防御算法因假定攻击强度保持不变而难以识别动态的篡改数据。针对动态化的SSDF攻击,提出一种基于能量分类器的抗SSDF攻击协作频谱感知算法。该算法首先通过分析动态SSDF攻击的特性,结合距离判别法将邻居节点能量分类,通过将分类结果与本地结果进行对比来识别恶意邻居节点;然后本地节点在滑动时间窗内根据历史频谱判决信息和当前频谱判决信息建立信誉模型,并由此更新各邻居节点的信誉值;最后,本地节点实施加权协作频谱感知。仿真结果表明:相比LDCSS(Largest Deviation-based distributed Cooperative Spectrum Sensing)算法和RBCSS(Reputation-based Cooperative Spectrum Sensing)算法,所提算法在动态SSDF攻击的攻击强度接近阈值时频谱检测概率分别提高了15%和16%,显著增加了认知网络的协作频谱感知性能,提升了频谱共享的效率。