認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播路由算法和協(xié)議綜述

周坤曉，趙 慧，袁華強(qiáng)

(東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，廣東 東莞 523808)

(*通信作者電子郵箱zhoukx1@163.com)

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播路由算法和協(xié)議綜述

周坤曉*，趙 慧，袁華強(qiáng)

(東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，廣東 東莞 523808)

(*通信作者電子郵箱zhoukx1@163.com)

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(CRN)在實(shí)現(xiàn)更好的無(wú)線帶寬利用率和提高無(wú)線應(yīng)用質(zhì)量方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于認(rèn)知用戶可用頻譜機(jī)會(huì)的動(dòng)態(tài)特性，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。研究者們已經(jīng)提出了多種在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行有效組播的方案，包括基于優(yōu)化理論、網(wǎng)絡(luò)編碼、機(jī)器學(xué)習(xí)、博弈論的方案等?？偨Y(jié)了解決組播問(wèn)題有效的算法和技術(shù)，并對(duì)已有的無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播協(xié)議進(jìn)行了全面的綜述，最后給出了未來(lái)的研究方向。

組播；認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)；路由；優(yōu)化理論；網(wǎng)絡(luò)編碼；博弈論

0 引言

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network, CRN)可以實(shí)現(xiàn)任何維度無(wú)限制的無(wú)線通信，即無(wú)處不在的連接能夠超越異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、頻譜多樣性、各種地域界限以及不同的通信規(guī)則和管制政策等多種限制，構(gòu)成最高級(jí)的自適應(yīng)系統(tǒng)。從目前的技術(shù)發(fā)展水平來(lái)看，盡管這種理想的智能網(wǎng)絡(luò)還難以實(shí)現(xiàn)，但是認(rèn)知無(wú)線電所具備的頻譜捷變以及協(xié)議獨(dú)立等特點(diǎn)，使得在多頻段環(huán)境下構(gòu)建提供無(wú)縫系統(tǒng)操作的平臺(tái)成為可能。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)使得其在網(wǎng)絡(luò)租借服務(wù)、公共應(yīng)急服務(wù)及軍事方面都有較好的應(yīng)用前景[1]。

在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知無(wú)線電用戶(Secondary User, SU)能夠利用認(rèn)知無(wú)線電的技術(shù)來(lái)探測(cè)和感知周圍的環(huán)境，在不影響授權(quán)用戶(Primary User, PU)利益的前提下去接入感知到的空閑信道從而提高網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的利用率。然而，由于不同的認(rèn)知無(wú)線電用戶所處的地理位置不同，他們感知到環(huán)境情況也各不相同。從信道的角度上來(lái)說(shuō)就是每個(gè)認(rèn)知無(wú)線電用戶所感知到的可用信道各有差異。這一特征大大增加了節(jié)點(diǎn)之間相互通信的難度，同時(shí)也給在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)這種獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行組播通信帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[2]。

多播或組播通信是眾多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的一種基本的網(wǎng)絡(luò)原語(yǔ)。這些應(yīng)用包括多媒體應(yīng)用程序的支持(如視頻會(huì)議)、文件分發(fā)、新聞或更新傳播。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上的多播是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，在能夠部署它之前有很多問(wèn)題需要解決，包括帶寬、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)包丟失、路由、可靠性、安全問(wèn)題和服務(wù)質(zhì)量。在穩(wěn)定性、吞吐量和數(shù)據(jù)包丟失、減少帶寬的要求和較少的功耗之間進(jìn)行權(quán)衡是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中組播的主要目的。此外，由于CRN中拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，CRN多播具有較大的挑戰(zhàn)性。由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)鍵取決于PU到達(dá)的時(shí)間和空間，這使得它常常要在未知的無(wú)線環(huán)境中運(yùn)行，從而可能導(dǎo)致各種認(rèn)知節(jié)點(diǎn)擁有異構(gòu)可用信道集合的場(chǎng)景。這種信道異構(gòu)的特點(diǎn)使多播的問(wèn)題復(fù)雜化，并且可能意味著相鄰節(jié)點(diǎn)之間缺乏一個(gè)公共的信道[1]。文獻(xiàn)[3]給出了多跳CRN所面臨的挑戰(zhàn)更詳細(xì)的分析。

隨著近年來(lái)專注于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播的研究越來(lái)越多，與文獻(xiàn)[2]針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組播理論和綜述側(cè)重點(diǎn)不同，本文對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的組播算法、技術(shù)和協(xié)議進(jìn)行了綜述，基于優(yōu)化理論、網(wǎng)絡(luò)編碼理論、博弈論、機(jī)器學(xué)習(xí)和圖論等對(duì)CRN組播現(xiàn)有工作進(jìn)行了分類總結(jié)，最后對(duì)這一領(lǐng)域未來(lái)研究中面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。

1 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播面臨的挑戰(zhàn)

為了充分利用多播給認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)對(duì)隨之而來(lái)的巨大挑戰(zhàn)至關(guān)重要。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上說(shuō)是動(dòng)態(tài)的，CRN拓?fù)涞淖兓Q于授權(quán)用戶的位置及活動(dòng)。相比傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組播，這些頻繁的變化引發(fā)了大量的問(wèn)題。信道的異質(zhì)性就是其中一個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)可能沒(méi)有一個(gè)共同的信道可用，使得它們必須使用不同的信道進(jìn)行組播。因此，一個(gè)多播傳輸被分解成許多小的單播傳輸，從而導(dǎo)致顯著的切換時(shí)延。實(shí)現(xiàn)路由的穩(wěn)定性是另一個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)檢測(cè)到一個(gè)授權(quán)用戶活動(dòng)時(shí)，認(rèn)知用戶的傳輸就會(huì)被中斷。路由算法應(yīng)該能夠處理這樣的變化，并相應(yīng)地調(diào)整。已經(jīng)有工作表明，如果它們是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的組播容量和主網(wǎng)絡(luò)一樣，可以從理論上實(shí)現(xiàn)相同的性能界限[4]。然而，要實(shí)現(xiàn)這些性能界限，必須要解決認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播中的四大主要挑戰(zhàn)。

1)PU動(dòng)態(tài)性。

在CRN中，每當(dāng)PU在SU附近開始通信時(shí)，SU必須讓出信道，從而尋找另一個(gè)不被PU占用的信道。由于與PU相關(guān)的頻譜移動(dòng)，頻繁的PU到達(dá)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，從而使得SU空間鏈接頻繁丟失，進(jìn)而嚴(yán)重影響其性能。因此，由于信道的可用性取決于PU出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)，組播部署變得更具挑戰(zhàn)性[5]。在各種SU擁有不同的空閑信道集合的情況下，這個(gè)結(jié)果使得傳輸協(xié)調(diào)變得極為迫切。

2)信道多樣性。

為了在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施傳輸協(xié)作，公共控制信道(Common Control Channel, CCC)常被用來(lái)在認(rèn)知用戶之間交換控制信息。公共控制信道的設(shè)計(jì)來(lái)源于多信道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)要部署在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，需要解決一些額外的挑戰(zhàn)：PU活動(dòng)的魯棒性、CCC的充分覆蓋和CCC安全[6]。除非有一個(gè)專用的無(wú)線電接口調(diào)到CCC，否則“聾”問(wèn)題出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致協(xié)調(diào)問(wèn)題。Lo在文獻(xiàn)[7]中詳細(xì)討論了在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中使用公共控制信道的相關(guān)問(wèn)題。

3)頻譜異質(zhì)性。

PU到達(dá)各個(gè)首選信道的隨機(jī)性和隨意性使得認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的路由問(wèn)題顯著復(fù)雜化。這意味著，一個(gè)給定認(rèn)知用戶的可用頻譜取決于在給定的時(shí)間內(nèi)，在其范圍內(nèi)的授權(quán)用戶的活動(dòng)。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知用戶的頻譜可用性可能是動(dòng)態(tài)的(即時(shí)變性)和異質(zhì)的(即所有節(jié)點(diǎn)沒(méi)有共同的信道可用)[3]。此外不同于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道通常是相同的頻帶，很大可能是運(yùn)行在來(lái)自于多個(gè)頻帶的異構(gòu)頻段有明顯不同的傳輸特性。

4)頻譜機(jī)會(huì)性。

文獻(xiàn)[8]已經(jīng)表明，檢測(cè)頻譜的機(jī)會(huì)并不等同于檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)。特別是一個(gè)頻譜機(jī)會(huì)的存在需要這兩個(gè)前提條件：a)SU發(fā)射器的傳輸對(duì)于PU接收者沒(méi)有損害；b)SU接收器的接收是成功的。一個(gè)PU發(fā)送端信號(hào)的簡(jiǎn)單檢測(cè)并不一定意味著SU不能接入頻譜，因?yàn)樵谶@個(gè)SU發(fā)送者附近可能沒(méi)有PU接收器。另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是頻譜機(jī)會(huì)取決于PU的發(fā)射和接收活動(dòng)。此外，測(cè)譜檢測(cè)任務(wù)還取決于傳輸功率以及PU和SU的地理位置。

這對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播問(wèn)題具有重大意義。例如，如果一個(gè)認(rèn)知用戶使用高的傳輸功率以達(dá)到一個(gè)大的接收用戶組，由于產(chǎn)生了更大的干擾區(qū)域，那么為了確保沒(méi)有授權(quán)用戶接收器是活躍的，它可能需要等待更長(zhǎng)的時(shí)間。另一方面，采用較低發(fā)射功率進(jìn)行傳輸將減少由于PU接收而中斷的幾率，但可能會(huì)導(dǎo)致更多的傳輸——由于傳輸功率的降低，每一個(gè)發(fā)送端現(xiàn)在能夠到達(dá)接收器的數(shù)量較少。這突出了“功率多樣性”或不同發(fā)射功率傳輸能力之間潛在的權(quán)衡。類似的權(quán)衡存在于現(xiàn)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的“速率多樣性”，一個(gè)較低的速率傳輸有一個(gè)更大的接收面積，而更高的速率傳輸能夠在一個(gè)較短的范圍內(nèi)可靠地解碼。

2 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播協(xié)議

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組播路由是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了各種協(xié)議。接下來(lái)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組播協(xié)議按照技術(shù)進(jìn)行分類。因?yàn)橐话愣嗵鵁o(wú)線網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)有很多共同的屬性，每一個(gè)分類先描述了一般多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組播，然后重點(diǎn)總結(jié)了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的組播解決方案。

2.1 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的組播協(xié)議

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組播工作中，文獻(xiàn)[9]對(duì)于多速率多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼和鏈路層傳輸速率的多樣性之間的相互作用進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)編碼可以結(jié)合多速率鏈路層廣播，以提高組播應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。以網(wǎng)絡(luò)編碼為基礎(chǔ)的應(yīng)用與認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線組播協(xié)議出現(xiàn)在了近期的文獻(xiàn)[10-13]中。其中：文獻(xiàn)[10]用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)解決基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多播資源分配問(wèn)題。為了優(yōu)化認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的整體性能，整合協(xié)作技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼，文獻(xiàn)[11]提出了一個(gè)優(yōu)化組播調(diào)度框架。該工作使用網(wǎng)絡(luò)編碼減少開銷，并執(zhí)行錯(cuò)誤控制和恢復(fù)。特別地，與認(rèn)知用戶盲目推送對(duì)于其他用戶無(wú)用的包的簡(jiǎn)單方法相比，網(wǎng)絡(luò)編碼是用來(lái)解決以合作方式進(jìn)行調(diào)度傳輸而不產(chǎn)生太多開銷的挑戰(zhàn)性任務(wù)?；诩惺截澬膬?yōu)化和隨機(jī)Lyapunov優(yōu)化，文獻(xiàn)[11]還提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的組播調(diào)度協(xié)議，同時(shí)文獻(xiàn)[11]中的分析以及仿真結(jié)果表明，對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的組播性能能夠得到顯著改善。文獻(xiàn)[12]采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，提出了適用于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知組播協(xié)議來(lái)提高組播通信的可靠性。文獻(xiàn)[13]通過(guò)使用頻譜定位、協(xié)作通信和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來(lái)最小化組播的端到端時(shí)延。

2.2 基于優(yōu)化的組播協(xié)議

優(yōu)化理論的各種方法已經(jīng)被應(yīng)用于解決認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播問(wèn)題。在考慮基于組播的優(yōu)化時(shí)，能夠用于優(yōu)化的不同目標(biāo)相當(dāng)重要，這些目標(biāo)包括路徑時(shí)延、樹的總成本和最大擁塞等。文獻(xiàn)[14]給出了與組播樹構(gòu)建相關(guān)的優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)綜述。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃(Dynamic Programming, DP)技術(shù)在通行網(wǎng)絡(luò)的路由問(wèn)題中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在一般情況下，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的解決方案非常適合于圖論中涉及到根樹和著名的路由算法問(wèn)題。在基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的工作，文獻(xiàn)[15]考慮了廣播變形和信道切換，為認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)組播算法。廣播變形問(wèn)題在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中非常普遍，由于每個(gè)授權(quán)用戶可用信道集合不同形成的信道占用，導(dǎo)致了受依賴的認(rèn)知用戶的信道可用性動(dòng)態(tài)變化，這可能使得一個(gè)廣播傳輸變形為少量的組播傳輸，甚至在最壞的情況下變成多個(gè)單播傳輸。

整數(shù)規(guī)劃(Integer Programming, IP)已被廣泛應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的廣播和組播問(wèn)題的建模。基于完全的距離信息和固定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的假設(shè)，文獻(xiàn)[16]受ODMRP(On-Demand Multicast Routing Protocol)啟發(fā)提出了MR2-ODMRP協(xié)議。該協(xié)議探索使用新的自由度(多收發(fā)器多傳輸速率)來(lái)提供優(yōu)化的組播性能，優(yōu)化問(wèn)題建模為一個(gè)整數(shù)線性規(guī)劃(Integer Linear Programming, ILP)，通過(guò)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率來(lái)構(gòu)造優(yōu)化樹。結(jié)果表明，MR2-ODMRP在端到端延遲方面優(yōu)于ODMRP，能產(chǎn)生接近最優(yōu)的結(jié)果。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)背景下，文獻(xiàn)[17]做了基于優(yōu)化的無(wú)線組播工作，通過(guò)把CRN中組播路由和信道分配聯(lián)合建模成一個(gè)MILP(Mixed-Integer LP)問(wèn)題來(lái)達(dá)到增加吞吐量或者會(huì)話數(shù)的目標(biāo)。

由于授權(quán)用戶可能會(huì)干擾甚至打斷認(rèn)知用戶的通信，因此研究授權(quán)用戶感知的彈性路由變得至關(guān)重要?；诖_保認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中保持通信會(huì)話不被干擾的重要性，文獻(xiàn)[18]中提出了一個(gè)基于備份路徑的方法。當(dāng)授權(quán)用戶在工作路徑活動(dòng)的情況下，該方法通過(guò)把通信流切換到備份路徑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，其中的備份路徑問(wèn)題被建模為一個(gè)ILP問(wèn)題，而備份路徑通信的切換則由基于貝葉斯決策框架的統(tǒng)計(jì)規(guī)則觸發(fā)。最后，該文在一個(gè)多跳CRN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)于平均包時(shí)延進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，與不用備份路徑相比，有接近于50%的降低。

文獻(xiàn)[19-20]中，跨層優(yōu)化方法被應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播問(wèn)題。其中文獻(xiàn)[19]將跨層優(yōu)化方法用于多媒體組播數(shù)據(jù)的接收，同時(shí)優(yōu)化接收到的視頻質(zhì)量。考慮到組播接收者和干擾最小化之間的比例公平性，他們提出了一種順序固定算法和貪心算法，以實(shí)現(xiàn)公平性，并盡量減少干擾，同時(shí)優(yōu)化視頻質(zhì)量。文獻(xiàn)[20]利用跨層優(yōu)化方法來(lái)減少所需的網(wǎng)絡(luò)資源，并提出了一種自干擾約束協(xié)議，在每個(gè)發(fā)射機(jī)分配一個(gè)頻譜信道用于至多一個(gè)多播。通過(guò)使用自干擾約束，這些頻帶被分配使得接收節(jié)點(diǎn)不允許同時(shí)從兩個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收。通過(guò)與下限值相比，該算法提供了接近最優(yōu)值的解決方案。

大量的研究工作還集中在利用蟻群算法模擬生物螞蟻表現(xiàn)，以產(chǎn)生優(yōu)化高效的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式路由，特別是已有學(xué)者提出了一些基于蟻群優(yōu)化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組播協(xié)議[21]。為了解決延遲和帶寬約束問(wèn)題的最小化成本組播樹，文獻(xiàn)[22]提出了一個(gè)帶有群體向?qū)У男∩诚伻簝?yōu)化算法。結(jié)果表明，在尋找最小成本的QoS組播樹方面，比起其他算法，該算法能夠獲得更好的性能。在文獻(xiàn)[23]中，作者把多目標(biāo)的組播路由問(wèn)題建模為一個(gè)多速率多層超圖(Multi-Layer Hyper-Graph，MLHG)，目標(biāo)是構(gòu)造組播路由樹來(lái)實(shí)現(xiàn)最小化最壞情況下的端到端時(shí)延、最大化組播速率和最小化傳輸鏈路數(shù)，并使用兩種元啟發(fā)式算法(多目標(biāo)蟻群系統(tǒng)優(yōu)化算法和基于模擬退火的多目標(biāo)優(yōu)化算法)來(lái)解決此問(wèn)題。文獻(xiàn)[24]研究了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)知用戶的多到多通信問(wèn)題，通過(guò)使用多層超圖來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，把此優(yōu)化問(wèn)題建模成一個(gè)整線性規(guī)劃；同時(shí)研究了多對(duì)多通信調(diào)度問(wèn)題，通過(guò)改良的蟻群優(yōu)化算法，構(gòu)造路由樹來(lái)優(yōu)化時(shí)延、速率和傳輸次數(shù)等服務(wù)質(zhì)量的目標(biāo)。

2.3 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的組播協(xié)議

作為最流行的無(wú)模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，Q-learning已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中[25]。自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)技術(shù)用于構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。文獻(xiàn)[26]把無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中QoS組播問(wèn)題和信道分配問(wèn)題合并起來(lái)進(jìn)行分析，作者聲稱分別解決了多播樹的創(chuàng)建和信道分配的問(wèn)題，通過(guò)有效地利用稀缺的網(wǎng)絡(luò)資源，他們提出了三種不同的算法來(lái)尋找最小干擾組播樹。文獻(xiàn)[27]研究了認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)技術(shù)的多徑組播問(wèn)題。由于CRN中高動(dòng)態(tài)特性，各種參數(shù)通常無(wú)法預(yù)知，文獻(xiàn)[27]把組播路由問(wèn)題建模成一個(gè)基于自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)框架的強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，在他們的組播路由協(xié)議中，通過(guò)自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)來(lái)選擇活動(dòng)和備份路徑，從而把由PU活動(dòng)造成的干擾最小化。

2.4 基于博弈論的組播協(xié)議

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于分享多播成本特別是多媒體信息有著濃厚的興趣，這會(huì)在帶寬和整體功耗方面帶來(lái)顯著的成本，這些成本必須由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)承擔(dān)。我們通常希望通過(guò)設(shè)計(jì)一些成本分擔(dān)機(jī)制來(lái)在不同的接收器之間分配成本。非合作的情況下，可能會(huì)存在為了最大限度提高它們個(gè)體效用的節(jié)點(diǎn)欺騙。在這樣的背景下，博弈理論分析被用來(lái)分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的組播成本分擔(dān)機(jī)制。文獻(xiàn)[28]研究了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中共享成本的組播問(wèn)題(假定在傳輸功率方面)，通過(guò)使用博弈理論分析研究了各種成本共享提議的屬性。文獻(xiàn)[29]研究了一個(gè)在大量的動(dòng)態(tài)用戶到達(dá)和隨機(jī)離開情況下的無(wú)線多播成本共享博弈，描述了它們之間的均衡，并就如何確保平等的成本分擔(dān)提出了解決方案。文獻(xiàn)[30]利用靜態(tài)博弈方法，根據(jù)次用戶占用頻譜越寬所造成干擾越大，建立了基于價(jià)格懲罰機(jī)制的古諾模型解決頻譜分配問(wèn)題，通過(guò)求解納什均衡，頻譜利用率達(dá)到最優(yōu)，并根據(jù)最小增量按需驅(qū)動(dòng)思想建立了節(jié)約能量的組播樹。Tan等在文獻(xiàn)[31]中提出了一種基于聯(lián)盟博弈論的算法來(lái)解決認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播中的資源分配問(wèn)題，并在后續(xù)研究的文獻(xiàn)[32]中又提出了一個(gè)基于Stackelberg競(jìng)價(jià)博弈論的組播協(xié)議來(lái)處理PU與SU之間的交互以及資源分配問(wèn)題。

2.5 基于圖論的組播協(xié)議

在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，基于多層超圖概念，文獻(xiàn)[33]提出了一種彈性組播路由框架，該框架對(duì)于失效或者信道缺失有一定的魯棒性。該框架中，CRN被建模成一個(gè)MLHG，MLHG的每一層代表著一個(gè)不同的信道，認(rèn)知無(wú)線電用戶組共享一個(gè)公共信道，該信道被建模為一條超邊。為了決定組播首選和備份路徑來(lái)最小化最大路徑時(shí)延和最小化選擇信道鏈路的條數(shù)，文獻(xiàn)[33]還提出了一個(gè)ILP模型。文獻(xiàn)[33]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了基于組播備份的可行性，同時(shí)表明隨著信道數(shù)量的增加，能夠用于路由的首選和備份路徑的條數(shù)也相應(yīng)增加。

還有一些研究[8]把認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的組播問(wèn)題作為一個(gè)最小能量組播(Minimum Energy Multicast, MEM)樹問(wèn)題來(lái)考慮，目的是為了節(jié)省一個(gè)組播樹的構(gòu)造中使用的整體能量。文獻(xiàn)[8]中證明了MEM問(wèn)題等價(jià)于計(jì)算植根于源節(jié)點(diǎn)的直接Steiner樹問(wèn)題，并且提出了一個(gè)近似算法，在CRN中構(gòu)建MEM樹的同時(shí)考慮頻譜機(jī)會(huì)的影響。結(jié)果表明，在主網(wǎng)絡(luò)不同的流量負(fù)載下，該算法的平均節(jié)能性能要優(yōu)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中常用的基線近似算法。

除了解決MEM問(wèn)題的工作，筆者在文獻(xiàn)[34]中還提出了一個(gè)構(gòu)建最小組播帶寬樹的協(xié)議。為了構(gòu)造一個(gè)組播樹來(lái)滿足最小組播帶寬消耗，筆者給出了兩種方法：第一種方法是先構(gòu)造一棵最小生成樹，然后通過(guò)提出的算法來(lái)進(jìn)行時(shí)隙分配；第二種方法是把構(gòu)建最小生成樹和時(shí)隙分配結(jié)合起來(lái)考慮，使得整體的帶寬消耗最小化。分析表明，筆者所提出的算法在傳輸時(shí)隙數(shù)和成功率這兩個(gè)指標(biāo)上均優(yōu)于基線算法。Matam等的研究[35]以節(jié)省帶寬為目標(biāo)解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的組播問(wèn)題，通過(guò)一種啟發(fā)式算法提出了一種計(jì)算最小化帶寬消耗組播樹的協(xié)議。性能評(píng)估表明，即使在最壞的情況下，該協(xié)議也能獲得比其他的基線算法更好的性能。

2.6 其他綜合的組播協(xié)議

文獻(xiàn)[36-37]提出了一種用于授權(quán)用戶感知組播的機(jī)制，該方法能夠保護(hù)信道的失效和缺失。為了防止PU導(dǎo)致的頻譜干擾,同時(shí)保證最小化組播會(huì)話的成本和最大化可用多播會(huì)話的數(shù)量，該研究的首要目標(biāo)是提供多個(gè)多播會(huì)話。這項(xiàng)工作提出了組播會(huì)話保護(hù)的三種方法：無(wú)鏈路共享保護(hù)、鏈路共享保護(hù)和保護(hù)環(huán)。結(jié)果表明,網(wǎng)絡(luò)中滿足會(huì)話的數(shù)量增加，多播會(huì)話的成本就會(huì)減少，因?yàn)榭捎玫男诺涝谠黾踊蛘邥?huì)話的規(guī)模變得越來(lái)越小。因?yàn)榄h(huán)共享方法以最少的成本生成組播會(huì)話，在網(wǎng)絡(luò)中環(huán)共享方法可以支持的組播會(huì)話的數(shù)量最多。

文獻(xiàn)[38]提出了輔助組播調(diào)度協(xié)議來(lái)減少認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的端到端組播時(shí)延。該方案使用三個(gè)操作：協(xié)助、偵聽和碼字交換。協(xié)助操作允許多播接收者在組播過(guò)程中提供協(xié)助，也把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他接收器；偵聽引入了兩個(gè)不同的組播組之間的援助；引入碼字交換也是為了通過(guò)使用編碼的數(shù)據(jù)包來(lái)協(xié)助組播調(diào)度。這三個(gè)操作能夠使得預(yù)期的組播接收者很容易解碼和提取數(shù)據(jù)，從而有效減少總的組播時(shí)間。為了解決認(rèn)知無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中協(xié)助組播調(diào)度問(wèn)題，他們又在文獻(xiàn)[39]中提出了兩種用于協(xié)作組播的方法：一種依靠組播接收者在分發(fā)組播數(shù)據(jù)到其他接收者中的輔助；另一種采用了網(wǎng)絡(luò)編碼的方法。

文獻(xiàn)[40]提出了一個(gè)貪心的調(diào)度協(xié)議來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能，還采用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)減少開銷和實(shí)現(xiàn)更好的錯(cuò)誤控制。該問(wèn)題被建模成一個(gè)非線性整數(shù)規(guī)劃，同時(shí)提出了一個(gè)在線調(diào)度協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信道分配和功率控制策略。

文獻(xiàn)[41]提出了一個(gè)用于引入認(rèn)知無(wú)線電的移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的組播路由協(xié)議(CoCast)來(lái)減輕與著名組播協(xié)議ODMRP[42]相關(guān)的可擴(kuò)展性問(wèn)題。與ODMRP相比，CoCast構(gòu)造了一棵不同于網(wǎng)絡(luò)的可選路徑,能減少路由開銷。仿真結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中組播來(lái)源數(shù)增加時(shí)，CoCast執(zhí)行得更好,與ODMRP相比更具有可伸縮性。

表1給出了CRN經(jīng)典組播協(xié)議基于技術(shù)分類的一個(gè)總結(jié)。

表1 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播協(xié)議和算法分類

3 CRN組播研究趨勢(shì)

如何把人工智能應(yīng)用于組播框架是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。因?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)通常要在動(dòng)態(tài)不可預(yù)測(cè)和未知的環(huán)境中運(yùn)行，通過(guò)整合人工智能技術(shù)，使之無(wú)縫集成于路由框架的核心變得越發(fā)重要?！罢J(rèn)知組播協(xié)議”能夠智能地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的不斷變化，因此會(huì)是一個(gè)重要的、但尚未開發(fā)的研究領(lǐng)域，感興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)[43]獲取關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于人工智能的認(rèn)知路由協(xié)議的專題教程和詳細(xì)描述。

建立可信組播路由協(xié)議將會(huì)是另外一個(gè)值得注意的方向。在單播可靠的端到端的協(xié)議中采用的自動(dòng)重傳請(qǐng)求(Auto Repeat reQuest, ARQ)方案不適合組播，因?yàn)樗竺恳粋€(gè)數(shù)據(jù)包，或一組數(shù)據(jù)，都需要接收器確認(rèn)。文獻(xiàn)[44]提出了用于無(wú)線局域網(wǎng)的采用否定確認(rèn)的可靠組播，通過(guò)從多播組成員中選出一個(gè)作為組首領(lǐng)，它被作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組的代表用來(lái)發(fā)送可靠的數(shù)據(jù)包接收反饋到組播源。關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中可靠的無(wú)線組播協(xié)議，特別是高度動(dòng)態(tài)和容易出錯(cuò)的環(huán)境下仍有很多問(wèn)題需要研究。

組播路由體系結(jié)構(gòu)應(yīng)將頻譜建模納入其基本設(shè)計(jì)中。一種方法是將授權(quán)用戶的到達(dá)過(guò)程和通信量模型進(jìn)行概率建模，高概率避免將要被授權(quán)用戶使用的信道。例如，一個(gè)認(rèn)知用戶可以利用頻譜偵聽數(shù)據(jù)來(lái)選擇在一天的一個(gè)特定的時(shí)間和一個(gè)特定的位置趨于長(zhǎng)時(shí)間可用的白色空間(沒(méi)有PU活動(dòng)出現(xiàn)的空間)。研究者們已經(jīng)提出了一些頻譜預(yù)測(cè)技術(shù)，包括：基于隱馬爾可夫模型的、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的以及基于貝葉斯推斷的[45]預(yù)測(cè)技術(shù)。有關(guān)頻譜預(yù)測(cè)技術(shù)的更多細(xì)節(jié)，感興趣的讀者可以通過(guò)文獻(xiàn)[45]和其中的參考文獻(xiàn)獲取更詳細(xì)的信息。

另一個(gè)未來(lái)的研究方向是與其他自由度相結(jié)合，比如功率控制、鏈路層速率多樣性、接口多樣性和無(wú)縫連接流動(dòng)性，與網(wǎng)絡(luò)編碼、博弈論和優(yōu)化等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于組播體系結(jié)構(gòu)中。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行組播，如何與這些自由度進(jìn)行相互作用還需要更多的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

由于CRN中拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，CRN多播具有較大的挑戰(zhàn)性。本文首先闡述了與傳統(tǒng)無(wú)線組播相比，CRN組播面臨的挑戰(zhàn)；接著基于技術(shù)的分類，總結(jié)了現(xiàn)有工作中的多跳認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)組播算法、技術(shù)和協(xié)議，這些技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)編碼、優(yōu)化理論、機(jī)器學(xué)習(xí)、博弈論、圖論等；最后給出了CRN組播面臨的一些問(wèn)題和未來(lái)的研究方向。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61402106, 61572131), the Natural Science Foundation of Guangdong Province (2014A030310375, 2014030313632).

ZHOU Kunxiao, born in 1981, Ph.D., lecturer.His research interests include wireless network, mobile computing.

ZHAO Hui, born in 1983, Ph.D., lecturer.Her research interests include wireless vehicle network, wireless sensor network.

YUAN Huaqiang, born in 1966, Ph.D., professor.His research interests include wireless network, network security.

Multicast routing in cognitive radio networks: algorithms and protocols

ZHOU Kunxiao*, ZHAO Hui, YUAN Huaqiang

(SchoolofComputerScienceandNetworkSecurity,DongguanUniversityofTechnology,DongguanGuangdong523808,China)

Cognitive Radio Network (CRN) plays a critical role in achieving better wireless bandwidth utilization and improving the quality of wireless applications.Multicasting in CRN is a challenging problem due to the dynamic nature of spectrum opportunities available to the secondary users.Researchers have proposed a variety of schemes for efficient multicast in cognitive radio networks, including schemes based on optimization theory, network coding, machine learning, and game theory.The algorithms and techniques for solving the multicast problem effectively were summarized, and a comprehensive survey of protocols was given.Finally, future research directions were identified.

multicasting; Cognitive Radio Network (CRN); routing; optimization theory; network coding; game theory

2016- 08- 09;

2016- 10- 28。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61402106, 61572131)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2014A030310375, 2014A030313632)。

周坤曉(1981—)，男，湖北荊門人，講師，博士，主要研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)計(jì)算； 趙慧(1983—)，女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，講師，博士，主要研究方向：無(wú)線車載網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 袁華強(qiáng)(1966—)，男，湖南湘潭人，教授，博士，CCF高級(jí)會(huì)員，主要研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全。

1001- 9081(2017)02- 0422- 05

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.02.0422

TP311

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