[论文解读] Cooperation-based Routing in Cognitive Radio Networks

Arsany Guirguis, Mohammed Karmoose+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2016

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出 Undercover，一种认知无线电网络中的跨层协作路由协议，通过协作波束成形在主用户接收端抑制干扰，使次用户能够在主用户活跃时并发传输。通过利用位置感知的协作组和干扰感知的传输，Undercover 相较于现有协议将网络吞吐量提升高达 250%，且开销极低。

ABSTRACT

Primary user activity is a major bottleneck for existing routing protocols in cognitive radio networks. Typical routing protocols avoid areas that are highly congested with primary users, leaving only a small fragment of available links for secondary route construction. In addition, wireless links are prone to channel impairments such as multipath fading; which renders the quality of the available links highly fluctuating. In this paper, we investigate using cooperative communication mechanisms to reveal new routing opportunities, enhance route qualities, and enable true coexistence of primary and secondary networks. As a result, we propose Undercover: a cooperative routing protocol that utilizes the available location information to assist in the routing process. Specifically, our protocol revisits a fundamental assumption taken by the state of the art routing protocols designed for cognitive radio networks. Using Undercover, secondary users can transmit in the regions of primary users activity through utilizing cooperative communication techniques to null out transmission at primary receivers via beamforming. In addition, the secondary links qualities are enhanced using cooperative diversity. To account for the excessive levels of interference typically incurred due to cooperative transmissions, we allow our protocol to be interference-aware. Thus, cooperative transmissions are penalized in accordance to the amount of negatively affected secondary flows. We evaluate the performance of our proposed protocol via NS2 simulations which show that our protocol can enhance the network goodput by a ratio reaches up to 250% compared to other popular cognitive routing protocols with minimal added overhead.

研究动机与目标

• 解决现有认知无线电路由协议因避开所有主用户活动区域而导致频谱利用率低下和路径性能欠佳的问题。
• 通过物理层协作波束成形技术，使次用户在不造成有害干扰的前提下，能够在主用户活跃时进行传输。
• 通过协作分集提升路由的可靠性和吞吐量，同时最小化对其他次用户流的干扰。
• 设计一种兼具干扰感知与位置感知能力的路由协议，以实现高效的组形成和动态频谱接入。

提出的方法

• Undercover 利用位置信息形成次用户的协作组，使其协同进行波束成形，以在主用户接收端抑制信号泄漏。
• 协议采用协作波束成形与预编码技术，抑制向活跃主用户方向的传输能量，同时保持对目标次用户链路的强信号质量。
• 通过根据对其他次用户流造成的干扰水平对协作传输进行惩罚，实现干扰感知，确保公平性与效率。
• 协议采用跨层设计，结合物理层协作与网络层路由决策，以优化路径选择与频谱使用。
• 组形成动态管理，基于节点密度和主用户活动情况，当主用户干扰较低时优先形成较小的组以减少开销和干扰。
• 通过 NS2 仿真对协议进行评估，采用吞吐量、端到端延迟和路由开销等指标，与 CAODV 和 LAUNCH 进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过利用协作波束成形，次用户是否能够在与活跃主用户相同的频谱中传输而不造成有害干扰？
• RQ2 在主用户活动频繁的认知无线电网络中，协作通信技术如何提升路由质量和可用性？
• RQ3 干扰感知的协作传输对次网性能（吞吐量与延迟）有何影响？
• RQ4 协作组的大小与形成方式如何影响动态认知无线电环境中网络性能与开销？

主要发现

• 在主用户活动较高的情况下，Undercover 相较于 CAODV 和 LAUNCH 最多可实现 250% 的吞吐量增益。
• 协议保持了较低的路由开销，Undercover 用于组形成的控制包数量几乎恒定，优于 CAODV 的全局路由方法。
• 端到端延迟随数据速率提高和分组大小增加而上升，但 Undercover 在所有配置下均持续实现更优的吞吐量。
• 吞吐量在中等分组大小时达到峰值，分组过大时因主用户频谱抢占导致的分组丢失增加而下降，该趋势在所有协议中均存在，但 Undercover 的缓解效果最佳。
• Undercover 中的平均组大小随次用户数量增加而上升，但当主用户密度较低时，协议优先形成较小的组以最小化干扰。
• 在所有测试的数据速率和分组大小下，Undercover 均优于 CAODV 和 LAUNCH，展现出在动态频谱环境中的鲁棒性与可扩展性。