全双工认知无线电网络吞吐量优化研究

沙特国王大学学报一种提高全双工认知无线电网络吞吐量沙哈比尔河作者：Alnabelsia，b，Alanabelsi，Haythem Bany Salamehb，c，Ramzi R.放大图片创作者：Khalid A.达拉卜赫da计算机工程师部门，工学部约旦安曼Al-Balqa应用大学技术b阿拉伯联合酋长国艾因艾因大学工程学院cYarmouk大学电信工程系，Irbid 21163，Jordand计算机工程系，约旦大学，约旦阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年9月21日收到2021年12月13日修订2022年1月5日接受2022年1月22日在线提供关键词：主用户次用户干扰感知全双工分时数据速率双工认知无线电A B S T R A C T传统的路由和认知无线电网络（CRN）中的路由之间存在差异信道的可用性、周期性频谱感知、干扰机活动是这些差异中的一些，等等。CRN可能包含大量物联网（IoT）设备，因此，使用平面图模型对此类网络进行建模会生成巨大的图大小。因此，这项工作背后的动机是清楚的，记住，建模这样的网络与多层超图（MLHG）是本文提出的想法，其中每个超边代表一组CR设备，每层代表一个授权信道。在本文中，主要的目的是考虑四个关键因素，以最大限度地提高端到端网络的吞吐量，这四个因素是，传输速率，授权用户活动，干扰活动，和所需的时间共享的数量。在文献中，同时考虑干扰和分时路由的文献很少。本工作提出并开发了三个前沿的路由协议，是知道上述四个因素，即，干扰活动共享率感知协议，干扰活动率感知协议，和干扰活动共享感知协议。我们比较这些协议与最近提出的三个协议在CRN。仿真结果表明，当考虑干扰活动和时间共享时，网络吞吐量显着提高。具体来说，我们提出的干扰感知协议显着优于现有的三个干扰不知道协议高达127%。版权所有©2022作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍由于大量的无线智能和物联网（IoT）设备，未经许可的无线频谱变得过于拥挤。因此，提出了一种允许动态地接入许可频谱的未充分利用部分的新技术。即，认知无线电（CR）技术，其授权次要（或未授权）用户（SU）在其主要（或授权）用户（PU）不活动时接入授权频谱中的空闲信道。当使用许可信道时，SU被要求在PU变为活跃时立即腾出它们。此外，SU需要周期性地感测许可信道，以便检测PU的出现。此外，干扰攻击可能存在于无线通信系统*通讯作者。电子邮件地址：alnabsh1@bau.edu.jo，sharhabeel. aau.ac.ae（S.H.Alnabelsi），haythem. aau.ac.ae（H. Bany Salameh ），r. ju.edu.jo（R.R.Saifan），k. ju.edu.jo（K.A. Darabkh）。在这种情况下，干扰（或不需要的）信号增加了SU信号上的噪声水平。如果噪声电平高于给定阈值，则在接收侧不能恢复期望信号。因此，SU通常选择具有最长可用时间、最弱干扰信号水平和最高数据速率的许可信道，以提高端到端吞吐量。无线网络需要多跳通信，例如采用设备到设备通信概念的5G网络因此，应该研究多跳路由然而，在CR网络（CRN）中，多跳路由需要对频谱可用性和管理有特殊的认识（Bayrakdar和Bayrakdar，2018年; Bayrakdar和Bayrakdar，2017年; Bany Salameh等人，2016年），干扰攻击者产生的信号，以及信道达到的数据速率。 这是为了提高所选路由的寿命和所实现的端到端吞吐量（Bany Salameh等人，2020; Qureshi等人，2016; Wei和Hu，2018）。此外，由于无线通信的性质，恶意节点可以通过开始在无线通信上进行传输来中断正在进行的传输。https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2022.01.0031319-1578/©2022作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comS.H. Alnabelsi，H.Bany Salameh，R.R.Saifan等人沙特国王大学学报5319在同一时间的同一信道，这导致信号失真。这些节点被称为干扰器或攻击者，因为它们可以进行不同类型的干扰攻击并显著降低网络的性能（Yousaf等人，2017; Rajkarnikar等人，2017;Bany Salameh和古兰经，2020）。全双工（FD）技术允许无线设备通过相同信道（带内FD（IB-FD））或通过不同信道（带外FD（OB-FD））同时发送和接收。在这项工作中，OB-FD是由于它的简单性相比，IB-FD技术。具体地，它具有低硬件复杂度，因为它不需要自干扰消除技术。实际上，无线网络通信基于多跳路由。不幸的是，大多数现有的多跳CRN路由协议是基于半双工（HD）技术，其中用户只能在给定的时间发送或接收。因此，研究人员最近出现了FD技术在CR多跳路由，以最大限度地提高端到端的吞吐量。然而，在CRN中，用于HD多跳路由的信道分配不适用于FD多跳路由。 最近，Amjad和Akhtar（2017）研究了CRN中基于FD的传输，其中报道了频谱效率的巨大改 善 （ Darabkh 等 人 ， 2019; BanySalameh 等 人 ， 2020; BanySalameh，2020）。在Sarret和Berardinelli（2016）、Hua等人（2019）以及Bany Salameh和El-Khatib（2018）中，证明了FD提供了与HD技术相比几乎两倍的吞吐量。此外，文献中提出了几种路由方法FD多跳路由。然而，它们是NP难的，并且可以轻松地找到近似解，其最坏情况的复杂度仍然与跳数呈指数关系和渠道。1.1. 动机最近的工作考虑无线网络时，设备的数量据我们所知，没有研究认为物联网网络中有大量设备因此，研究FD-CR多跳路由在大规模网络中的应用是非常必要的，然而，这是一个非常具有挑战性的任务。有趣的是，这项工作开发了低复杂度的路由选择和信道分配协议。其目的是找到成功传输的概率最高的路由，同时考虑CRN中多跳路由的独特特性例如，路由协议必须了解PU活动、干扰攻击、路由上的校验数据速率以及跳数传输所需的时间共享此外，这项工作利用FD技术的能力时，路由决策。1.2. 贡献本工作的贡献总结如下：提出了三种感知干扰、主用户活动、校验数据速率和所需分时数的路 由 协 议 ， 即 JASRA （ Jamming-Activity-Sharing-Rate-Aware ） 、 JARA （ Jamming-Activity-Rate-Aware ） 和 JASA（Jamming-Activity-Sharing-Aware）协议。在路由决策时采用FD传输技术，以最大化实现端到端的吞吐量。使用多层超图（MLHG）对密集无线网络进行建模，其中正方形区域中的一组SU由超边（HE）表示。因此，在寻找最佳路线时，计算复杂度降低隐含在所选最佳路由的每一跳上查找信道分配。这是因为跳位于MLHG的层内，其中每个层对特定的许可信道进行建模。提出的路由协议，具有多项式时间的复杂性的节点和边缘的数量。与现有的协议不同，现有的协议需要具有NP-难时间复杂度的优化技术，或者有时需要给出近似解的松弛问题1.3. 组织第二部分是文献综述.第三部分介绍了HD和FD通信技术的相关知识。第4节介绍了拟议的网络模型，拟议的CRN建模使用MLHG，和成功的传输分析的概率第5节演示了我们提出的三种路由协议。第六部分是绩效评价.最后，第7节给出了结论。2. 文献综述动态频谱接入技术允许SU接入授权信道。这在许多条件下完成，诸如感测要求、当PU变为活动时的立即传输终止、以及在空闲时间方面的适当信道选择策略等（Hassan等人，2017年）。此外，与任何无线网络一样，CR网络可能遭受干扰攻击（Bany Salameh等人，2018; Shi和Sagduyu，2018; Furqan等人，2020; Hanawal等人 ， 2019; Gecgel 等 人 ， 2019; Bany Salameh 和 Obergy ，2020），因此，SU的干扰意识确实是另一个要求。因此，开发路由协议是一项非常具有挑战性的任务.许多研究人员提出的多播路由协议，考虑这些要求时，利用授权频谱。例如，Almasaeid 等人（2019）研究了构建路由树的多播路由协议，该路由树对频繁的信道链路故障具有免疫力此外，Bany Salameh和Abusamra（2021）的作者提出了一种用于CR多媒体网络中组播路由的概率智能方法。Aghaei和Avokh（2020）提出了一种用于CR无线网状网络的联合组播路由发现、呼叫准入控制和信道分配的跨层方法。此外，Kadhim和Seno（2019）研究了具有能量优化的多播路由。Alnabelsi和Kamal（2013）提出了一种基于MLHG的多播路由协议，其中基于减少路由失败的数量和端到端延迟来发现多播路由会话。此外，在Alnabelsi（2017）中使用MLHG，以找到主路径和保护路径。主路径受到保护，不受PU活动的影响，而保护路径容易因PU活动而失败。请注意，上述路由协议是基于路由沿线SU节点采用HD传输。显然，SU既不能通过相同的信道也不能通过不同的信道同时发送和接收。因此，沿着路径所需的时间份额的数量增加。因此，当SU采用FD传输技术时，这些路由协议不能使用。据我们所知，CRN中的路由以及FD传输最近只有少数研究人员进行了研究，如下所示。在BanySalameh和El-Khatib（2018）中，开发了一个模型，用于在选定的路线上生成通道分配，从而使使用的通道数量最小化，吞吐量最大化。此外，作者在Darabkh和Amro（2020）●●●●●S.H. Alnabelsi，H.Bany Salameh，R.R.Saifan等人沙特国王大学学报5320！！！！！ ！！开发了一个用于物联网环境的带内FD CRN的模拟器，其中针对许多因素测量了所实现的吞吐量。其中一些是信道 此外，Bany Salameh等人（2020）的作者提出了一种路由选择协议，该协议在FD感知下提供信道分配。然而，他们的目标只是最大限度地提高路线的吞吐量.此外，Bany Salameh（2020）提出了另一种路由机制，该机制令人惊讶地考虑了路由上的共享次数。该协议在FD感知下沿路径生成信道分配。值得一提的是，他们的工作是第一个引入量化方程来找到所需的时间份额数量（在这项工作中使用）。然而，该协议的目的只是为了减少时间份额的数量，以最大限度地提高有效的吞吐量。相关工作总结见表1。3. 预赛3.1. 基于HD信道分配的路由吞吐量在HD技术中，通信设备可以在给定时间内发送或接收。但是，由于硬件限制，它们不能同时因此，对于HD路由，中间节点应该接收数据，将其存储，然后将其转发到下一跳。在这一点上，可以通过采取以下示例来讨论信道分配对HD路由的E2E吞吐量的影响：给定图1中的路由，如果跳1和跳2被分配给相同的信道或不同的信道，则B由于其有限的HD能力而不能同时发送和接收。然而，只有当C使用与用于跳1的信道不同的信道时，C才能同时向D发送，以避免干扰B的接收。换句话说，传输AB和CD可以同时发生。 然而，传输BC和D E不能在前两个传输活动时同时进行。这是因为B和D当前正在接收数据，不能同时发送通常，对于HD多跳路由，将不同的信道分配给彼此相距两跳的发射机增加了吞吐量。另一方面，将不同的信道分配给彼此相距三跳或更远的发射机不会提高吞吐量。例如，在图2中，信道1（C1）被分配用于跳1和跳2。此外，信道2（C2）被分配用于跳3，4. 因此，最大可能的吞吐量是在HD，因为跳1和跳3或跳2和跳4可以同时活动。注意，如果跳3被分配给信道1，则跳1和跳3不能同时活动，由于干扰而召回。Fig. 1. 由四跳组成的路由的实例。图二. HD路由的通道分配可实现最大吞吐量。3.2. 基于FD信道分配的路由吞吐量FD技术允许设备同时发送和接收。由于这项工作采用OB-FD，因此可以考虑图1所示的路由，其中所有节点都具有FD能力。在这种情况下，如果且仅如果使用不同的信道来避免自干扰，则B可以同时从A（跳1）接收并向C此外，C可以同时继续向D进行传输，如果且仅如果它使用与用于跳1和跳2的信道不同的这是为了避免C处的自干扰和B处的干扰.换句话说，这些传输AB;BC和C D可以同时是活动的，当不同的信道被分配给每个跳时（即;使用三个不同的信道）。另一方面，对于跳4，不需要分配与跳1不同的信道，因为其节点显然，跳4信道必须不同于前两跳的所在一般情况下，它的结论是，对于每三个连续的跳，每个必须被分配一个不同的信道，以便有并发传输。也就是说，对于给定的多跳路由，如果上述条件成立，则没有节点存储数据，因此，有效吞吐量是校验数据速率。 图图3示出了OB-FD路由的信道分配的示例，其中所有跳传输可以同时活动。表1文献综述总结。引用全双工干扰感知多项式时间超图Almasaeid等人（2019），Bany Salameh和Abusamra（2021），Aghaei和Avokh（2020），Kadhim和Seno（2019）没有没有没有没有Alnabelsi和Kamal（2013）没有没有没有是的Alnabelsi（2017）没有没有是的是的Bany Salameh et al.（2020），Bany Salameh（2020），Bany Salameh and El-Khatib（2018），Darabkh andAmro（2020），Darabkh et al. （2020年）是的没有没有没有S.H. Alnabelsi，H.Bany Salameh，R.R.Saifan等人沙特国王大学学报53210 1XX.Σ21¼1 1p;jp;j1/4fg3 11/4fg3. 路径3：跳4具有最小数据速率，其中校验数据速率为4Mbps。可以通过考虑跳1和跳3、跳2和跳4以及跳3和跳5使用不同的信道来找到所需的额外时间份额的数量因此，NTS¼0，因此，最大值此路径可达到的数据速率为NT41¼4每秒2.4兆比特。s图3.第三章。用于FD路由的信道分配，以实现最大可实现吞吐量（所有跳同时激活）。3.3. 说明性示例为了说明这项工作的动机，使用OB-FD技术，同时最大限度地减少时间份额的数量，可以假设一个CRN组成的10个SU，和3个许可的信道。此外，还发现了三条路径，即P1、P2和P3，如图1所示。显然，采用最短路径进行路由（如P1），就有效吞吐量而言不一定是最佳路径此外，选择具有最大校验数据速率的路径（如P2）也不一定是最佳路径，这是因为分时效应会显著降低网络当考虑所需的时间份额的数量时，P3实际上具有最大的数据速率。因此，这项工作考虑了所需的时间份额的数量值得指出的是，对于OB-FD技术，最近在Bany Salameh（2020）中引入了给定路径的额外时间份额NTs的量化影响，并计算如下：图 四、对于这些路径，选择的通道和达到的数据速率对于每个信道新台币800万元。Kp-2C Kp-2xi-x ið1Þ2i1j 1p;jp;j=2定义1（分时）。这意味着允许一个或多个SU在同一时刻进行发送，使得它们的并发传输不会相互干扰。此时间实例被计为一次性共享。例如，对于图4中的P1，跳1、 2和4可以同时发送，因为不存在引起的干扰。然而，当跳1活动时，跳3不能活动，因为它们使用相同的信道（C1）。因此，为了将一个分组从SU 1传递到SU 6，需要一个额外的时间份额（NTS1/41），因此，总共需要两个时间份额。另一方面，对于P3，所有跳可以同时活动，因为没有引起的干扰。因此，需要一个时间共享（不需要额外的时间共享，NTS0）来将分组从SU1传递到SU6。为了找到每条路径的最大可实现数据速率，可以识别沿着路径具有最小数据速率的跳，并将其除以所需的时间份额的数量，如下所示：1.路径1：跳3具有最小数据速率，因此，校验数据速率为6Mbps。为了找到所需的时间共享的数量，需要一个额外的时间共享。这意味着NTS1/41，因此，此情况路径为NT61¼61/43 Mbps。在上面的表达式中，p表示路径，Kp表示路径上的跳数，C表示信道的数量，如果信道i被使用在路径p跳j。否则，它为零（即; 表示信道分配）。4. 网络模型与超图模型这项工作考虑了一个ad hoc无线CRN与许可网络共存，例如;蜂窝网络CRN在存在干扰的情况下操作，如图5所示。（一）.许可网络包括蜂窝网络服务提供商和PU（客户端设备）。我们考虑了一种主动干扰，其中干扰的到达间隔时间和PU的到达间隔时间是独立的，并且服从指数分布。该组SU交换控制信息，例如：通道可用性，使用已建立的公共控制通道（Thilina，2015; Miazi和Tabassum，2015;Cicio gMoglu等人， 2019）。来源和目的苏节点可以被任何两SUs从的设置S1; 2;. ;S ，其中S是可以建立的SU的总数。英语链接在一个特设的方式。 假设SU机会主义s2. 路径 2 ：跳 2 具有 最小数据 速率， 这意味着 校验数 据速率为8Mbps。所需的时间份额的数量是三，因为跳1和3、跳2和4以及跳3和5使用相同的信道NTS1/4 3，并且最大可实现的时间份额是1/3。此路径的数据速率为NT81¼8 每秒2.5兆比特。访问一组许可信道，比如C1; 2;.其中C是许可信道的总数。此外，SU具有FD传输能力。假设使用最近的自干扰可以显著减轻自干扰。蜂窝化（SIC）技术（例如，数字SIC技术艾哈迈德和s见图4。 以动机为例说明全双工传输的分时效果。S.H. Alnabelsi，H.Bany Salameh，R.R.Saifan等人沙特国王大学学报5322图五、干扰攻击下CRN最佳路由选择的激励实例Eltawil，2015）。此外，Bharadia等人（2013年）的工作表明，FD系统中的自干扰可以显著降低高达110 dB。这导致残余自干扰对系统性能的影响可以忽略，使得FD通信实际上是可行的。在本文中，我们重点讨论了频谱分配和路由选择问题，假设Bharadia等人（2013）和Nguyen和Tran（2020）中实现的SIC技术已经到位，这些技术将残余自干扰降低到本底噪声。表2介绍了所使用的概念及其说明。4.1. 所提出的多层超图网络模型CRN的性质允许SU在一个链路上找到多个可用的信道，因此，这不能使用简单的图来建模这一点显示了使用MLHG对CRN进行建模的 工 作 背 后 的 动 机 （ Mikko 和 Arenas ， 2014; Boccaletti 和Ginestra ， 2014; McGee 和Ghoniem ， 2019 ）。MLHG 包含一组层，其中每个层包含一组超边（HE），HE可以具有多于两个顶点，这与传统图中的简单边不同。MLHG允许设计人员捕捉这样一个事实，即在任何链路上都可以使用多个通道因此，在所提出的模型中，图中的每一层表示一个通道。此外，HE中的顶点表示SU节点。在所提出的模型中，SU的平坦区域，例如所示的CRN在图5中。(a)将其划分为一组大小相等的正方形区域，以降低计算复杂度。有趣的是，每个正方形区域及其对应的SU在每一层中都被复制此外，每个正方形区域在MLHG中被建模为HE。注意，相同正方形区域中的SU在彼此的传输范围内定义2（层）。许可信道被建模为MLHG中的层。定义3（超边缘）。一个正方形区域，其中包括一些SU在一个层被建模为一个HE。定义4（垂直虚线）。它存在于MLHG中的两个连续层之间，代表SU收发器的两个通道之间的切换。图 五、（b）显示每个正方形在所有层中重复例如，正方形1（HE1）、正方形7（HE7）和正方形13（HE13）是平面CRN中一个正方形区域的复制此外，当SU在每个层中被复制时，垂直边缘连接两个连续层中的每两个复制以模拟层在我们的模型中，当为MLHG找到路由时，隐式地找到信道分配。例如，当所选路由从当前层（比如层i）切换到另一层（比如层j）时，则沿着该路由的SU已经将其收发器从信道i切换到信道j。因此，路由显示及其信道分配需要多项式时间的复杂性，因为这是这项工作的主要贡献之一在构建MLHG后，如图所示。 五、（b），它可以被转换成一个简单的图形，如图5所示。（c）.当应用适合于简单图的路由发现协议时，这是需要的。转换步骤将在本节后面进行说明。图中的说明性示例。 五、（a）包含四个PU假设在某个时间，出于路由发现的目的，源节点是SU1，目的地节点是SU7，每个SU的可用信道在其旁边示出例如，SU 1具有在基站的小区1中可用于PU 1（标记为PU-BS 1）的信道1和3。之间的可用连接链路S.H. Alnabelsi，H.Bany Salameh，R.R.Saifan等人沙特国王大学学报5323ð ÞTTTTppXRð Þ表2符号。符号描述符号描述认知无线电网络SU次要用户PU主要用户s源SU节点d目的SU节点S网络中SU的集合C网络中许可信道的集合G网络图的CRN，其中包含一组SU。HG超图HE是属于HE集合的超边。HE是构造HG的超边的集合。MLHG多层超图。e∈i;j是G图中SUi和SUj之间的边。E是构成G的边的集合。E0i;j连接HE i和HE j的SU的边的集合。HLp i;j是沿着路径p的超链接，表示相邻HE之间的通信链路是和HEj水平地或垂直地。HL是连接给定MLHG中的超边的超链接的集合。HLp是构成路径p的跳数的超链接的集合。HLG超链接图，使用HL的集合构造为边和HE的集合作为顶点。P是从HE在HLG中找到的k-最短路径的集合 从包含源SU的HE到包含目的地SU的HE。最短路径之一。iava平均可用时间，即PU的传输的平均我果酱平均干扰时间，即;信道i的平均到达间隔时间。i;java信道i在HEj上的平均可用时间。i;j堵塞信道i在HEj上的平均干扰时间。HD半双工。c_i_i是HE_i的许可信道的索引Ri;jcði Þ是连接HL的通道C他 他 在同一个超图层，PoS成功的可能性I jci c jPoSaði;c ði ÞÞPoSaeði;j ÞPoSa;maxH.L.在知晓存在于HEi中的SU在信道c上的干扰的情况下成功传输的概率。在SUi和SUj之间的成功传输概率，具有关于干扰的意识。连接HE的而HEj用于路径p，其中SU知道干扰。PoSuði;c ði ÞÞPoSueði;j ÞPoSu;maxH.L.在没有意识到驻留在HEi中的SU的干扰的情况下成功传输的概率，channelci.SUi和SUj之间的成功传输概率，而不知道干扰。连接路径p的HEi和HEj的所有现有SU链路之间的成功传输的最大概率，其中SU不知道干扰。tci是信道他i。NTs表示长路径p传输所需的额外时间共享的数量。HL i;jeff连接的HL他 他 在同一个超图层p路径p的有效数据速率。I j其中cicj。pω是最短路径的索引FD全双工p在找到的k-最短路径之间，P。在该图中还示出了SU，例如SU 2可以通过公共可用信道1和3与SU3通信。在两个SU之间建立链路取决于公共信道4.2. 平面网络转换为MLHG要转换一个平面网络，如图所示的CRN。 五、(a)到MLHG，如图5所示。(b)，应用以下假设和步骤;假设条件：1. 渠道的可用性相对持续很长一段时间。一些许可信道，例如TV信道（54 MHz2. 位于相同HE（正方形）中的SU受到相同PU的干扰范围和攻击者的相同干扰范围的影响。3. 虽然一些SU具有近距离，但它们可能无法通过一些信道彼此通信。这是由于不良信道的条件，例如;噪音，衰落。步骤：1. 引入伪源节点s以与在所有层中复制的SU源节点连接，如图5中所示的虚线边缘。（b）.2. 引入伪目的地节点d以便将其与在所有层中复制的SU目的地节点连接，如图5中所示的虚线边缘。（b）.3. 在每一层中，所有SU节点被复制，一个层（比如层2）中的两个SU之间的链路否则，这两个SU不能在信道2上通信。4. 当一个层被划分成正方形（HE）时，一些SU5. 任意两层之间的垂直虚线，如图5所示。(b)表示通过SU的信道切换。 例如，SU1的层1和层2之间的垂直虚线表示SU1将其收发器从信道1切换到信道2，反之亦然。另一个例子，考虑SU1的层2和层3之间的垂直虚线，这条线表示SU1收发器从信道2切换到信道3或从信道3切换到信道2的能力。此外，SU1的层1和层3之间的垂直虚线表示SU1将其收发器从信道1切换到信道3，反之亦然。注意到SU仅在空闲时切换到另一个通道。为了说明，仅对SU1、SU2和SU3绘制垂直虚线。然而，垂直边缘存在于不同层之间的所有SU。总之，图5中所示的CRN。(a)转换为MLHG，如图5所示。(b)，使得每一层表示授权信道，每一HE表示具有一些SU的正方形区域，并且每一垂直虚线表示信道RRS.H. Alnabelsi，H.Bany Salameh，R.R.Saifan等人沙特国王大学学报5324ava果酱AvajamðÞ（ 。Σð Þ ðÞavaTðiÞXXXð;txc果酱-一个...j1/4-c k ava-一个...j¼-cmava果ava果ava-xTi Tix在该图中，每层中有6个正方形，因此，在这些层之间总共有18个HE4.3. MLHG到简单超链接图的为了变换构造的MLHG，如图所示。 五、（b），转化为一个简单的图，即超链接图（HLG），如图所示。 五、（c）. HLG由一组顶点和一组边组成（这些边被称为超链接（HL））。具体地，HLG中的顶点集合表示MLHG中的HE集合，并且HLG中的边集合表示从MLHG提取的HL集合，如稍后将在本小节中解释的。当从MLHG提取时，超链接（HL）可以是水平的或垂直的，然而，它们之间存在一些差异，并且它们可以被定义如下：定义5（垂直超链接）。当在两个HE之间存在至少一条垂直虚线时，它存在于连接两个HE的MLHG中的两个连续层之间。定义6（水平超链接）。当在用于数据通信的一对SU之间建立至少一个边缘时，其存在于MLHG中的两个相邻HE之间，使得每个SU位于不同的HE中。换句话说，水平HL表示相同信道上的数据通信，而垂直HL表示SU的两个信道之间的信道切换。注意，所提出的图模型是通用的，因此，可以有如下一些注意事项● 虽然SU 14没有可用的信道3，但是在HE12和HE18之间存在垂直边缘。然而，当一条路线被...如图2所示，垂直HL为HL101; 70;HL202; 80;HL303; 90;HL404; 100;HL505;110和HL606;120。（c）.稍后，当我们讨论这些垂直HL的成功概率（PoS）时，每个垂直HL的PoS都等于1，因为SU此外，对于MLHG中引入的连接伪节点s和d的虚线边缘，PoS被设置为1。相反，由水平HL表示的两个SU之间的成功传输的概率将是不同的，并且在以下小节中进行讨论。4.4. 成功概率分析一般来说，当CRN中存在干扰时，数据包换句话说，对于给定许可信道处的成功分组传输，其传输时间必须小于或等于干扰的到达间隔时间和PU的到达间隔时间。对于平坦CRN，已经如下导出了在给定信道（比如信道i）上的任何两个通信SU之间的成功传输的概率的封闭形式表达式exp.tTiTi，其中不是传输时间 （BanySalameh和Olem，2020年）。在我们的工作中，我们假设SU对，比如SUi和SUj，位于不同相邻的正方形区域，比如区域k（用HEk表示）和区域m（用HEm表示），存在独立的PU和干扰。因此，POS传输计算如下：8>PoSackPoSacm 1/4。exp-Zak：exp. -Zjk.exp-Zam：exp. -Zjm采用精化方法，达到HE18节点，如图所示PoSa联系我们<ðk; ðÞÞ异丙肾上腺素经验值1/4-Zak-Zjk：exp.-Zam-Zjm图 五、（c），则该节点是叶节点。因此，进程在此节点终止，并在其他节点继续。虽然他没有建立社区的SUeði;jÞ>：;ifckcm;ei;j2E0k;m;cn2C;8n2HE：1;如果ckð2Þ● 阳离子链接，它仍然在HLG中表示，如节点其中，Z=k，TCk Z.TCkZm。tcmZavamK不K不ðÞ10（代表HE10）在图中。 五、（c）. 显然，这个节点没有水平的HL，但是，它有垂直的HL，这意味着一个路段的可能性，从节点4到.cm不Tck;c果酱c m;ava节点16或反之亦然。这意味着，这一部分意味着，位于相应正方形区域. Z KZ ktT ck;kTck;k;XTck;kT ck;k. Z mZ mtTcm;mTcm;m。XTcm;mT cm; m已将其收发器从信道1切换到信道3，或反之亦然。回想一下，这个正方形区域被复制为HE4、HE10和HE16。将MLHG转换为HLG的步骤如下：1. HL存在于两个正方形区域（两个HE）之间，当且仅当它们之间至少有一个SU的边缘。例如，在图5所示的层1中。(b)，边e= 3;4=1是存在于HE1和HE2之间的唯一边，因此，该边被选择为注意，两个SU之间公共的SU边缘的集合相邻的HE s，比如HEk和HEm，用E0k;me表示，其中E0k;me。 在Eq。对于所有垂直HL，PoS被设置为1，因为SU回想一下，垂直HL连接映射到不同通道的两个不同层。由方程式（2）当正方形区域的平均可用性和干扰次数均为齐次时，即;它们对于给定通道的所有正方形面积都相等，则该方程简化如下：在这两个HE之间。另一个例子，如图5所示的HL8;9。(c)表示层2中SU6和SU7之间的通信链路，如图5所示。（b）.2. 有时在同一层，两个相邻的正方形可能有PoSaeði;jÞexp-2Zak-2Zjk;ifckcm;ei;j2E0k;m;cn2C;8n2HE：1;如果ck-ð3Þ多于一个公共SU的边。 例如，HE16和HE17具有两个公共边缘，即e9; 10和e9; 11，具有最高成功传输概率的边缘被选择为这两个相邻HE之间的水平HL，即HLn16; 17n。请注意，HL 16; 17实际上是节点HE16和HE17之间的边，如图所示。 五、（c）.3. 在任何两个连续层处，当且仅当至少一个SU位于正方形区域中时，垂直HL存在于复制的正方形区域（HE）之间。例如，对于图层1和图层另一方面，SU可能不知道干扰存在，但是它们知道信道PU活性）。在这种情况下，如果SU的所需传输时间小于或等于该信道的平均可用时间，则SU一般地，在平坦CRN中，为了找到任意两个通信之间的成功传输的概率，已经推导出方程。如下：exp。-tx （Badarnehand BanySalameh，2011）.¼一J一J;果果S.H. Alnabelsi，H.Bany Salameh，R.R.Saifan等人沙特国王大学学报5325X.ΣpBottFK.ΣðÞð ÞðÞð Þ ðÞFG>PoSk;ck：PoSm;cmexp-Zak：exp-Zam;ifckcm;ei;j2E0k;m;2XRcRNoRO然而，我们修改了这个方程，使其适用于我们提出的网络模型，假设通信SU，比如SUi和SUj，分别位于HEk和HEm中，如下所示：如下所示：边缘设置为该HL，并使用等式 （六）、 然而，如果网络中的SU不知道干扰机活动，则等式(7) 采用了PoSa;max1/4ma x.PoSa20;8ei;j2E0：2016年8u uHLpk;mkeði;jÞk;mPoSu¼>：ð ÞÞcn2 C; 8n 2 HE：.Σueði;j Þ1;如果ck-ð4ÞPoSu;maxHLpk;m k1/4maxPoS;8ei;j2E0k;m ：700同样，对于Eq。（4）当正方形区域均匀分布时，平均可用时间，即;它们对所有的平方都对于给定通道的面积，该方程简化如下：5. 提出的路由算法本节介绍我们提出的三种算法，即保寿<$（exp-2Zak;ifck<$cm;ei;j2E0k;m;cn2C;8n2HE：知道干扰和频道的可用性。 因此eði;j Þ1;如果ckð5ÞSU对应信道众所周知，在给定信道（例如信道c）上找到分组所需的传输时间t_c_d取决于分组大小D和信道通道加性高斯白噪声（AWGN），RcBLog21SNRc，其中B和SNR分别表示信道带宽和信噪比SNR=pc，使得pc和N表示所提出的三种路由算法考虑了下面列出的一些或所有关键性能因素。一些提出的协议没有考虑所有这些因素，这样做是为了评估排除的因素对网络性能的影响。这些因素如下：1. PU活动：SU考虑PU的分组的到达间隔时间。2. 干扰器接收功率和噪声密度。pk10计划RC的tC、对干扰器Dn使得p∈t∈c表示发射功率，C是平均值等于1的指数随机变量;d表示距离，n表示路径损耗指数，a 1/4GtGr2，其中Gt和Gr分别是发送器和接收器处的增益，并且k1/4Ls;Ls是光速，f是信号频率。可以注意到，在一些情况下，在两个相邻HE之间存在多于一个的可扩展边缘，诸如在图5中。(c)在第3层中的HE16和HE17之间。在该模型中，选择具有最大成功传输概率的边缘作为这两个HE之间的HL。 为了更详细地解释该场景，考虑如图6所示的另一CRN示例，其中两个正方形区域（HE）的实例，即HEi 和HEj，是图所示一组的十一SU，SU1;. ;SU11，位于这两个HE内。它们之间有多条公共边，即e4; 8;e 5; 8和e6; 7。假设这些边的成功传输概率分别为0： 6、0： 7和0： 8。这些候选边缘中的一个将被选择为HEi和HEj之间的HL。因此，选择边e=6; 7，以表示PoS等于0： 8的HL i;j。在MLHG中的任何两个相邻HE之间采用该方法，以便找到用于构建HLG的所有HL;HL。一般而言，对于沿着路径p的任何两个相邻HE，比如HE k和HE m，存在一个或多个公共SU的边，表示为E 0 k ; m，其中E 0 k ; m E。具有最大概率的边-成功传输被选择为HL，即HLp k;m，并且成功传输的对应概率为见图6。 具有多个候选链接的层中的两个超边的实例。3. 瓶颈数据速率（Rp）：最大可实现数据速率沿路径P的传输速率取决于校验数据速率，校验数据速率被定义为该路径上具有最小数据速率的链路的速率4. 所需额外工时股份数目（NT）：回想一下，它是将一个数据包从源节点传递到目的节点所需的额外次数，这是由于并发跳传输之间引起的干扰（NT sP 0）。当采用FD传输时，这种情况发生。所提出的三种路由协议在下一小节中给出，当运行这些协议时所考虑的图是从MLHG转换的HLG，诸如图5中的图。（c）.在该图中，假设每个HL具有单位成本，所提出的任何协议的初始步骤是找到k个最短路径P，使得任何两个所选择的最短路径相差至少一个HL。之后，每个候选路径进行评估，以找到最高的端到端吞吐量方面的最佳路径，这种评估是基于每个协议的开发的性能指标。这些提出的路由协议具有多项式时间的复杂性，这是由于多个原因：首先，减少了边的数量，因为网络被划分为一组正方形区域，其中每个区域在MLHG中被建模为HE。其次，信道分配是隐式地找到的，因为MLHG中的每一层表示信道。第三，使用多项式时间算法找到所研究的路线5.1. 干扰活动共享率感知 （JASRA）协议此路由算法考虑了前面讨论的所有四个路由关键因素。它考虑干扰，PU的活动，所需的时间份额的数量，和数据速率。显然，预期该算法对于有效的端到端吞吐量具有高效率。对于每个路径p;pP和p中的每个HL，通过将数据速率乘以成功传输的最大概率，PoSa;max，以及H.L.将结果除以沿路径调度的时间份额的数量，如;S.H. Alnab