I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E )   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9 ,   p p .   3 4 1 ~ 3 5 1   I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   D O I :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 9 i 1 . p p 3 4 1 - 3 5 1             3 4 1       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s c o r e . c o m / j o u r n a l s / i n d e x . p h p / I J E C E   D e s i g n   a n d   a n a l y s i s   o f   r o u t i n g   p r o t o c o l   f o r   c o g n i t i v e   r a d i o   a d   h o c   n e t w o r k s   i n   h e t e r o g e n e o u s   e n v i r o n m e n t     H a s s a n   A l - M a h d i 1   a n d   Y a s s e r   F o u a d 2   1 D e p a r t m e n t   o f   C o m p u t e r   a n d   I n f o r m a t i o n ,   J o u f   U n i v e r s i t y ,   S a u d i   A r a b i a   2 F a c u l t y   o f   C o m p u t e r   a n d   I n f o r m a t i c s ,   S u e z   U n i v e r s i t y ,   E g y p t     A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T   A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   J u n   2 5 ,   2 0 1 8   R e v i s e d   J u l   2 1 ,   2 0 1 8   A c c e p t e d   A u g   1 1 ,   2 0 1 8       M u l t i - h o p   r o u t i n g   p r o t o c o l   i n   c o g n i t i v e   r a d i o   m o b i l e   a d   h o c   n e t w o r k s   ( C R M A N E T s )   i s   a   c r i t i c a l   i s s u e .   F u r t h e r m o r e ,   t h e   r o u t i n g   m e t r i c   u s e d   i n   m u l t i - h o p   C R M A N E T s   s h o u l d   r e -   f l e c t   t h e   b a n d s   a v a i l a b i l i t y ,   t h e   l i n k s   q u a l i t y ,   t h e   P U   a c t i v i t i e s   a n d   q u a l i t y   o f   s e r v i c e   ( Q o S )   r e q u i r e m e n t s   o f   S U s .   F o r   t h e   b e s t   o f   o u r   k n o w l e d g e ,   m a n y   o f   r e s e a r c h e r s   i n v e s t i g a t e d   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   d i f f e r e n t   r o u t i n g   p r o t o c o l s   i n   a   h o m o g e n e o u s   e n v i r o n m e n t   o n l y .   I n   t h i s   p a p e r ,   w e   p r o p o s e   a   h e t e r o g e n e o u s   c o g n i t i v e   r a d i o   r o u t i n g   p r o t o c o l   ( H C R )   o p e r a t e s   i n   h e t -   e r o g e n e o u s   e n v i r o n m e n t   ( i . e .   t h e   r o u t e   f r o m   s o u r c e   t o   d e s t i n a t i o n   u t i l i z e   t h e   l i c e n s e d   a n d   u n l i c e n s e d   s p e c t r u m   b a n d s ) .   T h e   p r o p o s e d   r o u t i n g   p r o t o c o l   i s   c a r e f u l l y   d e v e l o p e d   t o   m a k e   a   t r a d e o f f   b e t w e e n   t h e   c h a n n e l   d i v e r s i t y   o f   t h e   r o u t i n g   p a t h   a l o n g   w i t h   t h e   C R M A N E T s   t h r o u g h p u t .   U s i n g   s i m u l a t i o n s ,   w e   d i s c u s s   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   H C R   r o u t i n g   p r o t o c o l   a n d   c o m p a r e   i t   w i t h   t h e   A O D V   r o u t i n g   p r o t o c o l   u s i n g   a   d i s c r e t e - e v e n t   s i m u l a t i o n   w h i c h   w e   d e v e l o p e d   u s i n g   J A V A   p l a t f o r m .   K e y w o r d s :   A d   h o c   n e t w o r k s   B u s y   p e r i o d   C o g n i t i v e   r a d i o   R o u t i n g   p r o t o c o l   S i m u l a t i o n   C o p y r i g h t   ©   2 0 1 9   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   H a s s a n   A l - M a h d i ,     D e p a r t m e n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   I n f o r m a t i o n ,   J o u f     U n i v e r s i t y ,   A l j o u f ,   G u r y y a t ,   S a u d i   A r a b i a .   E m a i l :   h a s s a n w e s f @ j u . e d u . s a       1 .   I N T R O D U C T I O N   A d   h o c   n e t w o r k s   a r e   m a d e   u p   o f   a n   a u t o n o m o u s   s y s t e m   o f   m o b i l e   d e v i c e s   w h i c h   a c t   a s   b o t h   h o s t s   a n d   r o u t e r s   [ 1 ] .   T h i s   p e r m i t s   t h e   m o b i l e   d e v i c e s   t o   i n t e r c o n n e c t   o n e   a n o t h e r   t h r o u g h   m u l t i - h o p s   w i t h o u t   a   p r e d e f i n e d   c o m m u n i -   c a t i o n .   A d   h o c   n e t w o r k s   m a y   s u p p o r t   d i f f e r e n t   w i r e l e s s   s t a n d a r d s ,   t h e   p r e s e n t   s t a t e - o f   t h e - a r t   r e m a i n s   t o   b e   m o s t l y   l i m i t e d   t o   t h e i r   o p e r a t i o n s   i n   t h e   9 0 0   M H z   a n d   t h e   2 . 4   G H z   i n d u s t r i a l ,   s c i e n t i f i c   a n d   m e d i c a l   ( I S M )   b a n d s .   W i t h   x p o -   n e n t i a l l y   g r o w i n g   g r o w t h   o f   w i r e l e s s   d e v i c e s ,   t h e s e   b a n d s   a r e   i n c r e a s i n g l y   g e t t i n g   c o n g e s t e d .   S i m u l t a n e o u s l y ,   t h e r e   a r e   l o t s   o f   f r e q u e n c y   b a n d s   l i c e n s e d   t o   o p e r a t o r s ,   f o r   e x a m p l e   i n   t h e   4 0 0 7 0 0   M H z   r a n g e ,   t h a t   a r e   u s e d   s p o r a d i c a l l y   o r   u n d e r - u t i l i z e d   f o r   t r a n s m i s s i o n   [ 2 ] .   T h e   F C C   h a s   r e c e n t l y   a p p r o v e d   t h e   u s a g e   o f   u n l i c e n s e d   d e v i c e s   i n   l i c e n s e d   b a n d s .   C o n s e q u e n t l y ,   d y n a m i c   s p e c t r u m   a c c e s s   ( D S A )   t e c h n i q u e s   a r e   p r o p o s e d   t o   s o l v e   t h e s e   c u r r e n t   s p e c t r u m   i n e f f i c i e n c y   p r o b l e m s .   T h i s   n e w   a r e a   o f   r e s e a r c h   f o r e s e e s   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   c o g n i t i v e   r a d i o   ( C R )   n e t w o r k s   t o   i m p r o v e   s p e c t r u m   e f f i c i e n c y   [ 3 ,   4 ] .   I n   C R   n e t w o r k s ,   t h e r e   a r e   t w o   t y p e s   o f   d e v i c e s .   N a m e l y ,   p r i m a r y   p r i m a r y   u s e r   ( P U   o r   l i c e n s e d   u s e r )   a n d   s e c o n d a r y   u s e r   ( S U ) .   T h e   P U s   a r e   l e g a c y   u s e r s   w h o   o w n   l i c e n s e d   c h a n n e l s   ( L C ) ,   b u t   d o   n o t   f u l l y   u t i l i z e   i t .   T h e     U H F   T V   a n d   p u b l i c   s a f e t y   b r o a d c a s t   s t a t i o n s   a r e   e x a m p l e s   o f   L C .   T h e   S U s   a r e   n e x t - g e n e r a t i o n   C R   d e v i c e s   w h o   o p p o r t u n i s t i c a l l y   e x p l o i t   l o c a l l y   u n u s e d   L C   w i t h o u t   d i s r u p t i n g   o p e r a t i o n s   o f   P U s .   T h i s   s c h e m e   i s   o f t e n   r e f e r r e d   t o   a s   o p p o r t u n i s t i c   s p e c t r u m   a c c e s s   ( O S A ) .   T h e   S U   m u s t   v a c a t e   t h e   c h a n n e l   a s   s o o n   a s   t h e   P U   r e a p p e a r s ,   w h i c h   l e a d s   t o   t h e   f o r c e d   t e r m i n a t i o n   o f   t h e   S U   c o n n e c t i o n   [ 2 ] .   B r i e f l y ,   t h e   m a i n   f u n c t i o n   o f   C R   i s   a s   f o l l o w s .   D e t e r m i n a t i o n   o f   u n u s e d   L C s ,   s e l e c t i o n   o f   t h e   b e s t   a v a i l a b l e   L C ,   c o o r d i n a t i o n   o f   t h e   a c c e s s   w i t h   S U s   a n d   d e t e c t i o n   o f   t h e   a p p e a r a n c e   o f   P U s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     3 1 4   -   3 5 1   3 4 2 R o u t i n g   p r o t o c o l s   i n   t r a d i t i o n a l   w i r e l e s s   m u l t i - h o p   n e t w o r k s   c a n n o t   b e   e f f i c i e n t l y   a p p l i e d   i n   C R   M o b i l e   N e t w o r k s   ( C R M N E T )   [ 5 ,   6 ] .   T o   f u l l y   u n l e a s h   t h e   p o t e n t i a l s   o f   s u c h   n e t w o r k s ,   n e w   c h a l l e n g e s   m u s t   b e   a d d r e s s e d   a n d   s o l v e d   a t   t h e   n e t w o r k   l a y e r .   I n   p a r t i c u l a r ,   e f f e c t i v e   r o u t i n g   m e t r i c s   a b l e   t o   a c c o u n t   f o r   t h e   d i s t i n g u i s h a b l e   p r o p e r t i e s   o f   t h e   C R M N E T   a r e   n e e d e d   [ 3 ,   7 ] .   T h e   r o u t i n g   m e t r i c s   f o r   C R   c a n   b e   c l a s s i f i e d   i n t o   t w o   c l a s s e s .   1 )   T h e   m e t r i c s   o r i g i n a l l y   p r o p o s e d   f o r   m u l t i - c h a n n e l   e n v i r o n m e n t s   a n d   t h e n   a d a p t e d   t o   C R   n e t w o r k s .   2 )   T h e   m e t r i c s   s p e c i f i c a l l y   d e s i g n e d   f o r   C R   n e t w o r k s .   I n   t h i s   p a p e r ,   b a s e d   o n   t h e   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d   o f   b o t h   t h e   L C s   a n d   u n l i c e n s e d   c h a n n e l s   ( U C s ) ,   a   n e w   r o u t i n g   p r o t o c o l   b a s e d   o n   t h e   a c c u m u l a t i v e   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d   m e t r i c   w i l l   b e   i n t r o d u c e d   i n   h e t e r o g e n e o u s   e n v i r o n m e n t .   T h r o u g h   s i m u l a t i o n s ,   w e   h i g h l i g h t   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   o u r   p r o p o s e d   r o u t i n g   p r o t o c o l   a n d   c o m p a r e   i t   t o   t h e   p r e v i o u s   w o r k s .   T h e   r e m a i n i n g   o f   t h e   p a p e r   a r e   o r g a n i z e d   a s   f o l l o w s .   I n   s e c t i o n   2 ,   a   r e l a t e d   w o r k   i s   i n t r o d u c e d .   T h e   s y s t e m   m o d e l   i s   i l l u s t r a t e d   i n   s e c t i o n   3 .   I n   s e c t i o n   4 ,   t h e   p r o p o s e d   H C R   r o u t i n g   p r o t o c o l   i s   d e s c r i b e d .   W e   e v a l u a t e   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   H C R   r o u t i n g   p r o t o c o l   i n   s e c t i o n   5 .   F i n a l l y ,   t h e   p a p e r   i s   c o n c l u d e d   i n   s e c t i o n   6 .       2 .   R E L A T E D   W O R K   M o s t   r e l a t e d   r e s e a r c h e s   o f   C R M N E T   a r e   f o c u s e d   o n   t h e   h o m o g e n e o u s   e n v i r o n m e n t   [ 8 ] - [ 1 1 ]   ( i . e .   l i c e n s e d   s p e c t r u m   o n l y ) .   A   j o i n t   o p e r a t i o n   o f   a   r o u t i n g   a n d   a   c h a n n e l   a s s i g n m e n t   h a s   b e e n   a l r e a d y   p r o p o s e d   i n   m a n y   l i t e r a t u r e   m a i n l y   b a s e d   o n   t h e   c e n t r a l i z e d   a p p r o a c h e s   l e v e r a g i n g   t h e   g r a p h   t h e o r y .   D e l a y   b a s e d   r o u t i n g   h a s   b e e n   p r o p o s e d   i n   [ 9 ,   1 2 ,   1 3 ] ,   t o   a c h i e v e   l o w e r   c u m u l a t i v e   d e l a y   c a u s e d   b y   c h a n n e l   s w i t c h i n g ,   q u e u i n g   a n d   c o l l i s i o n s .   H o w e v e r ,   t h e   a l g o r i t h m   i s   u n d e r   a s s u m p t i o n   t h a t   t h e   n o d e   h a s   t h e   g l o b a l   k n o w l e d g e   o f   t h e   n e t w o r k s .   I n   [ 1 2 ] ,   a   m u l t i - r a d i o   m u l t i - c h a n n e l   o n - d e m a n d   s o l u t i o n   t h a t   i s   a b l e   t o   e f f e c t i v e l y   m a n a g e   t h e   t r a n s m i s s i o n   a c t i v i t i e s   o f   c o g n i t i v e   a n d   p r i m a r y   u s e r s   i n   i n v e s t i g a t e d .   T h e   r o u t i n g   m e t r i c   w a s   c a r e f u l l y   d e v e l o p e d   i n   o r d e r   t o   p r o v i d e   a   t r a d e o f f   b e t w e e n   t h e   c h a n n e l   d i v e r s i t y   o f   t h e   r o u t i n g   p a t h   a n d   t h e   e n d - t o - e n d   d e l a y .   I n   [ 1 4 ] ,   t h e   a u t h o r s   w e r e   p r o p o s e d   a   n o v e l   s p e c t r u m   a w a r e   r o u t i n g   s c h e m e   t h a t   i s   a   d i s t r i b u t e d   r o u t i n g   c o n -   s i d e r i n g   s o m e   k e y   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   t h e   c o g n i t i v e   r a d i o   m e s h   n e t w o r k s .   H o w e v e r ,   t h e   r o u t i n g   m e t r i c s   w h i c h   u s e d   t o   s e l e c t   b e s t   r o u t e   a m o n g   a l l   r o u t e s   w a s   c h o s e n   a s   a   f u n c t i o n   o f   t h e   L C   u s a g e .   I n   [ 1 5 ] ,   t h e   a u t h o r s   p r o p o s e d   O p p o r t u n i s t i c   S e r v i c e   D i f f e r e n t i a t i o n   o u t i n g   P r o t o c o l   ( O S D R P ) .   T h e   p r o p o s e d   O S D R P   f i n d s   t h e   m i n i m u m - d e l a y   m a x i m u m   s t a b i l i t y   r o u t e   i n   d y n a m i c   C R N s   b y   c o n s i d e r i n g   s p e c t r u m   a v a i l a b i l i t y   a n d   q u e u e i n g / s w i t c h i n g   d e l a y   a c r o s s   P U   c h a n n e l s .   S e r v i c e   d i f f e r e n t i a t i o n   i s   a c h i e v e d   t h r o u g h   p o w e r   c o n t r o l   a n d   o p p o r t u n i s t i c   r o u t i n g .   I n   t h a t   a p p r o a c h ,   t h e   c h a n n e l   w i t h   t h e   m a x i m u m   e x p e c t e d   a v a i l a b l e   t r a n s m i s s i o n   t i m e   i s   s e l e c t e d   a m o n g   a l l   c o m m o n   a v a i l a b l e   d a t a   c h a n n e l s .   H o w e v e r ,   t h e   q u a l i t y   o f   t h e   s e l e c t e d   c h a n n e l   m a y   b e   r e l a t i v e l y   b a d .   I n   o t h e r   w o r d s ,   t h e   t r a n s m i s s i o n   t i m e   o f   t h i s   c h a n n e l   m a y   b e   l o n g e r   t h a n   i t s   a v a i l a b i l i t y   t i m e ,   w h i c h   m a y   n e g a t i v e l y   a f f e c t   t h e   a c h i e v e d   C R M A N E T   t h r o u g h p u t .   I n   [ 1 6 ] ,   t h e   a u t h o r s   p r e s e n t   t h e   e x p e c t e d   t r a n s m i s s i o n   c o u n t   m e t r i c   ( E T X ) ,   w h i c h   f i n d s   h i g h - t h r o u g h p u t   p a t h s   o n   m u l t i - h o p   w i r e l e s s   n e t w o r k s .   T h e   E T X   s e l e c t s   r o u t e s   w i t h   k n o w l e d g e   o f   t h e   d e l i v e r y   r a t i o s   w h i c h   i s   m o r e   p e r t i n e n t   i n f o r m a t i o n   t h a n   t h e   h o p   c o u n t   m e t r i c ,   t h u s   i n c r e a s i n g   t h e   t h r o u g h p u t   a n d   i m p r o v i n g   t h e   n e t w o r k   u t i l i z a t i o n .   H o w e v e r ,   E T X   h a s   t h e   d i s a d v a n t a g e   o f   o n l y   c o n s i d e r i n g   t h e   l i n k   l o s s   r a t e   a n d   n o t   t h e   l i n k   d a t a   t r a n s m i s s i o n   r a t e   ( r e l a t e d   t o   t h e   t r a n s m i s s i o n   d e l a y ) .   I n   [ 1 7 ] ,   a   n e w   m e t r i c   f o r   r o u t i n g   i n   m u l t i - r a d i o ,   m u l t i - h o p   w i r e l e s s   n e t w o r k s   i s   p r o p o s e d .   T h e   p r o p o s e d   m e t r i c   a s s i g n s   w e i g h t s   t o   i n d i v i d u a l   l i n k s   b a s e d   o n   t h e   E x p e c t e d   T r a n s - m i s s i o n   T i m e   ( E T T )   o f   a   p a c k e t   o v e r   t h e   l i n k .   H o w e v e r ,   t h e   E T T   m e t r i c   f o c u s   o n   w i r e l e s s   n e t w o r k s   w i t h   s t a t i o n a r y   n o d e s ,   s u c h   a s   c o m m u n i t y   w i r e l e s s   n e t w o r k s .   I n   [ 1 8 ]   a n d   [ 1 9 ] ,   t h e   a u t h o r s   c a t e g o r i z e d   r o u t i n g   m e t r i c s   i n t o   t h r e e   t y p e s   a n d   d e r i v e d   n e w   m e t r i c s   o f   e a c h   t y p e .   B y   c o n s i d e r i n g   t h e   p r i m a r y   u s a g e   p a t t e r n   a n d   m a x i m u m   C R   l i n k   h o l d - t i m e ,   t h e y   d e r i v e d   t h r e e   n e w   m e t r i c s   M E T ,   R H   a n d   M E T R H   t o   c a p t u r e   d i f f e r e n t   e n d - t o - e n d   p e r f o r m a n c e s .       3 .   S Y S T E M   M O D E L   3 . 1 .     A s s u m p t i o n s   I n   t h i s   p a p e r ,   a   d i s t r i b u t e d   m u l t i - h o p   C R M A N E T   c o n s i s t i n g   o f   N p   P U s   a n d   N s   S U s   n o d e s   i s   a s s u m e d .   L e t   C p   a n d   C s   d e n o t i n g   t h e   n u m b e r   o f   L C s   a n d   U C s   r e s p e c t i v e l y ,   w h e r e   e a c h   c h a n n e l   h a s   i t s   o w n   i n f i n i t e   b u f f e r .   T h e   b u f f e r   o f   a   L C   c a n   h o l d   b o t h   t h e   P U s   a n d   S U s   p a c k e t s   w h i l e   t h e   b u f f e r   o f   a   U C   c a n   h o l d   t h e   S U   p a c k e t s   o n l y .   W e   a s s u m e   t h a t   t h e   P U s   p a c k e t s   f o l l o w   t h e   f i r s t - c o m e - f i r s t - s e r v e d   ( F C F S )   s c h e d u l i n g   p o l i c y .   T h e   P U   h a s   t h e   p r e e m p t i v e   p r i o r i t y   t o   u s e   t h e   L C   a n d   c a n   i n t e r r u p t   t h e   t r a n s m i s s i o n   o f   t h e   S U   u s e r s .   I n   a d d i t i o n ,   e a c h   S U   i s   e q u i p p e d   w i t h   a   c o m m o n   c o n t r o l   c h a n n e l   ( C C C ) .   T h e   C C C   i s   a s s u m e d   t o   b e   i m p l e m e n t e d   t h r o u g h   d e d i c a t e d   h a r d w a r e   w i t h   t i m e   s h a r i n g   o v e r   t h e   m a i n   t r a n s c e i v e r   h a r d w a r e   a n d   u s e d   f o r   t r a n s m i t t i n g   a n d   r e c e i v i n g   c o n t r o l   m e s s a g e s   ( r o u t i n g ,   s p e c t r u m   s e n s i n g ) ,   w h e r e   d i f f e r e n t   d a t a   t r a n s c e i v e r s   a r e   u s e d   f o r   t r a n s m i s s i o n   a n d   r e c e p t i o n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     D e s i g n   a n d   a n a l y s i s   o f   r o u t i n g   p r o t o c o l   f o r   c o g n i t i v e   r a d i o   a d   h o c   n e t w o r k s     ( H a s s a n   A l - M a h d i )   3 4 3   3 . 2 .     P r i m a r y   c h a n n e l   m o d e l   T h e   L C   i s   v i e w e d   a s   a n   O N - O F F   r a n d o m   p r o c e s s ,   w h e r e   a   L C   e x p e r i e n c e s   a   s e q u e n c e   o f   b u s y   ( O N )   a n d   i d l e   ( O F F )   p e r i o d s .   A n   O N   b u s y   p e r i o d   r e p r e s e n t s   t h e   c o r r e s p o n d s   L C   i s   b u s y   w i t h   a   P U .   A n   O F F   i d l e   p e r i o d   r e p r e s e n t s   t h e   c o r r e s p o n d s   L C   i s   i d l e   a n d   c a n   b e   u t i l i z e d   b y   a   S U .       3 . 3 .     B u s y   p e r i o d   a n a l y s i s   I n   t h i s   s e c t i o n ,   t h e   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d   o f   L C   i s   d e r i v e d .   T h e   a n a l y s i s   w i l l   l i k e l y   b e   c a r r i e d   o u t   i n   s t e a d y   s t a t e .   L e t   t h e   t i m e   a x i s   i s   s p l i t   i n t o   i d e n t i c a l   i n t e r v a l s   n a m e d   s l o t s .   E v e r y   s i n g l e   s l o t   i s   e x a c t l y   e q u i v a l e n t   t o   t h e   t r a n s m i t t i n g   t i m e   o f   a   s i n g l e   p a c k e t .   I n   e a c h   s l o t   k = 0 , 1 , 2 , 3 , ,   e i t h e r   a   r a n d o m   v a r i a b l e   ( R V )   p a t c h   A = 1 , 2 , 3 ,   o f   P U   p a c k e t s   a r r i v e s   a t   t h e   b u f f e r   a t t a c h e d   t o   t h e   L C   c ,   j = 1 , 2 , 3 , C ,   w i t h   p r o b a b i l i t y   λ   o r   n o t   a r r i v e s   w i t h   p r o b a b i l i t y   λ = 1 λ .   I n   o t h e r   w o r d s ,   λ   i s   t h e   b a t c h   a r r i v a l   r a t e   o f   P U   p a c k e t s   a t   t h e   L C   c .   T h e   P U   p a t c h   a r r i v a l   a t   t h e   L C   i s   a s s u m e d   t o   b e   B e r n o u l l i   p r o c e s s .   L e t   a   a n d   A ( z )   b e   t h e   c o m m o n   d i s t r i b u t i o n   a n d   t h e   p r o b a b i l i t y   g e n e r a t i n g   f u n c t i o n   ( P G F )   o f   A .   T h a t   i s ,   a = l i m P r   A = n   a n d     ( ) = .     L e t   = 1 , 2 , 3 ,   b e   a   R V   d e n o t i n g   t h e   b u s y   p e r i o d   o f   t h e   L C     g e n e r a t e d   b y   a   g i v e n   P U .   L e t   ( ) = =   b e   t h e   P G F   o f   .   T h e   b u s y   p e r i o d     o f   t h e   L C     i s   s t a r t e d   w i t h   t h e   a r r i v a l   o f   n o n z e r o   b a t c h   o f   P U   p a c k e t s   a t   t h a t   L C     w h i l e   i t   i s   i n   t h e   O F F   s t a t e .   W e   c a l l   t h e   p a c k e t s   o f   t h i s   p a t c h   a s   " l e a d i n g   p a c k e t s "   a n d   d e n o t e s   i t   s i z e   b y   t h e   R V   = 1 , 2 , 3 , .   A l l   t h e   P U   p a c k e t s   a r r i v a l s   a t   t h e   b u f f e r   o f   t h e   L C     a r e   s e r v e d   u s i n g   l a s t   c o m e   f i r s t   s e r v i c e   ( L C F S )   d i s c i p l i n e .   N o t e   t h a t ,   t h e   s e r v i c e   o r d e r   h a s   n o   b e a r i n g   o n   t h e   d i s t r i b u t i o n   o f   t h e   b u s y   p e r i o d .   T h e   f i r s t   c o m e   f i r s t   s e r v i c e   ( F C F S )   a n d   t h e   L C F S   d i s c i p l i n e s   l e a d   t o   t h e   s a m e   r e s u l t .   L e t   u s   l a b e l   t h e   " l e a d i n g   p a c k e t s "   p a c k e t s   a s   ,   ,   , , .   L e t     = 1 , 2 , 3 , ,   b e   a   R V   d e n o t i n g   t h e   s e r v i c e   t i m e   o f   .   B e c a u s e   o f   t h e   L C F S   o r d e r ,   a l l   t h e   P U   p a c k e t s   t h a t   a r r i v e   a t   t h e   b u f f e r   w h i l e   t h e     i n   s e r v i c e   w i l l   b e   s e r v e d   b e f o r e   .   I t   i s   c l e a r   t h a t ,   e a c h   l e a d i n g   p a c k e t   w i l l   g e n e r a t e   i t s   o w n   s u b - b u s y   p e r i o d .   T h e   s u b - b u s y   p e r i o d   g e n e r a t e d   b y   t h e   p a c k e t     c o n s i s t s   o f   i t s   s e r v i c e   t i m e   p l u s   t h e   s e r v i c e   t i m e   o f   a l l   p a c k e t s   t h a t   a r r i v e   a t   t h e   b u f f e r   o f   c h a n n e l     d u r i n g   i t s   s e r v i c e   t i m e .   L e t     b e   a   R V   d e n o t i n g   t h e   s u b - b u s y   p e r i o d   o f   t h e   p a c k e t   .   T h e   R V s     = 1 , 2 , 3 , ,   a r e   i d e n t i c a l l y   i n d e p e n d e n t   d i s t r i b u t i o n   ( i i d )   w i t h   t h e   c o m m o n   d i s t r i b u t i o n   w   a n d   P G F   W ( z ) .   T h e   t o t a l   b u s y   p e r i o d   B   o f   t h e   L C   c   i s   g i v e n   a s     B = W .     L e t   L ( z )   b e   t h e   P G F   o f   t h e   R V   L .     I n   s u c h   c a s e ,   t h e   P G F   B ( z )   c a n   b e   w r i t t e n   a s     ( ) = = = ( )     ( 1 )   T h e   P G F   o f   t h e   R V   L   i s   r e l a t e d   t o   t h e   P G F   A ( z )   a s   f o l l o w s .     ( ) = 1   =   1   = ( ) ( 0 ) 1 ( 0 )   ( 2 )     S u b s t i t u t i n g   f r o m   ( 2 )   i n t o   ( 1 ) ,   w e   g e t     ( ) = ( ) ( 0 ) 1 ( 0 )     T h i s   g i v e s     ( ) = ( ) 1 ( 0 ) + ( 0 )   ( 3 )     w h e r e   i = 1 , 2 , 3 , , L   a n d   j = 1 , 2 , 3 , C .   N o w   t h e   e x p r e s s i o n   o f   t h e   P G F   W ( z )   c a n   b e   d e r i v e d   a s   f o l l o w s .   T h e   s u b - b u s y   p e r i o d   W   o f   t h e   p k t   s t a r t s   w i t h   s e r v i c e   t i m e   X .   W h i l e   t h e   t h e   p k t   i s   i n   s e r v i c e ,   a   n u m b e r   o f   P U   p a c k e t s   a r r i v e   a t   t h e   L C   c .   L e t   N   b e   a   R V   d e n o t i n g   t h e s e   p a c k e t s .   I t   i s   c l e a r   t h a t ,   t h e   v a l u e   o f   N   i s   g i v e n   a s       =   ( 4 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     3 1 4   -   3 5 1   3 4 4 w h e r e   Φ = I   i s   t h e   n u m b e r   o f   b a t c h e s   t h a t   a r r i v e   a t   t h e   L C   c   d u r i n g   t h e   s e r v i c e   t i m e   X   a n d   I = 0 , 1   i s   a n   i n d i c a t o r   R V   d e n o t i n g   t h e   n u m b e r   o f   P U   p a t c h e s   t h a t   a r r i v e   a t   t h e   L C   c   i n   t h e   n   t h e   s l o t   o f   X .   L e t   u s   r e f e r   t o   t h e s e   N   p a c k e t s   a s   " f o l l o w e r   p a c k e t s " .   L e t   u s   r e f e r   t o   t h e   f i r s t   p a c k e t   o f   N   a s   f   a n d   t h e   s e c o n d   p a c k e t   a s   f   a n d   s o   o n .   S i n c e   o f   t h e   L C F S   d i s c i p l i n e ,   a l l   p a c k e t s   t h a t   a r r i v e   a t   t h e   b u f f e r   o f   t h e   L C   c   w i l l   b e   s e r v i c e d   a f t e r   f a n d   b e f o r e   f .   H e n c e ,   t h e   p a c k e t   f w i l l   g e n e r a t e s   i t s   o w n   a   s u b - b u s y   p e r i o d   c o n s i s t s   o f   i t s   s e r v i c e   t i m e   p l u s   t h e   s e r v i c e   t i m e s   o f   a l l   a r r i v a l   p a c k e t s   d u r i n g   i t s   s e r v i c e   t i m e .   L e t   F   b e   a   R V   d e n o t i n g   t h e   s u b - b u s y   p e r i o d   o f   t h e   f o l l o w e r   p a c k e t s   f .   T h e   o t h e r   a l l   t h e   r e m a i n i n g   f o l l o w e r   p a c k e t s   w i l l   g e n e r a t e   i t s   o w n   s u b - b u s y   p e r i o d   F   ( n = 1 , 2 , 3 , N )   i n   s i m i l a r   f a s h i o n .   T h e   s u b - b u s y   p e r i o d s   F   ( n = 1 , 2 , 3 , N )   a r e   i i d   R V s   w i t h   c o m m o n   P G F   W ( z ) .   T h e   s u b - b u s y   p e r i o d   F   c a n   b e   e x p r e s s e d   a s   F = X + F   a n d   h e n c e   t h e   P G F   W ( z )   c a n   b e   w r i t t e n   a s       ( ) = [  ] =   = ( )     S u b s t i t u t i n g   f o r   N   f r o m   ( 4 ) ,   w e   g e t     ( ) = ( ) = ( )     B y   s u b s t i t u t i n g   f o r   Φ ,   y i e l d s     ( ) = ( ) = ( )   = ( ) = ( )   ( 5 )     S u b s t i t u t i n g   f r o m   ( 3 )   i n t o   ( 5 ) ,   w e   g e t     ( ) = ( ) = ( ) 1 ( 0 ) + ( 0 )     S u b s t i t u t i n g   f o r   W ( z )   i n t o   1 ,   y i e l d s     ( ) = ( ) 1 ( 0 ) + ( 0 )     F i n a l l y ,   s u b s t i t u t i n g   f o r   L ( z )   f r o m   ( 2 ) ,   y i e l d s   t h e   f i n a l   e x p r e s s i o n   o f   t h e   P G F   f o r   t h e   b u s y   p e r i o d   o f   t h e   L C   c   a s   f o l l o w s .     ( ) = ( ) 1 ( 0 ) + ( 0 ) ( 0 ) 1 ( 0 )       4 .   P R O T O C O L   D E S C R I P T I O N   I n   t h i s   s e c t i o n ,   t h e   d e s c r i p t i o n   o f   t h e   s u g g e s t e d   H C R   p r o t o c o l   i s   g o i n g   t o   b e   p r e s e n t e d   d e p e n d i n g   o n   t h e   w e l l   k n o w n   r o u t i n g   p r o t o c o l   A O D V .   F i r s t ,   w e   p r e s e n t   o u r   p a t h   m e t r i c   a f t e r   w h i c h   w e   e x p l a i n e d   t h e   H C R   p r o t o c o l   i n   d e t a i l s .   I n   C R M A N E T s   r o u t i n g   p r o t o c o l s ,   t h e   r o u t e   b e t w e e n   a   s o u r c e   a n d   a   d e s t i n a t i o n   o f   t h e   S U s   n e e d s   t o   b e   s e l e c t e d   w i t h i n   a   r o b u s t   m e t h o d   t o   e n s u r e   t h a t   t h e   S U s   t r a f f i c   d o e s   n o t   d i s r u p t   t h e   P U s   t r a f f i c .   F o r   t h i s   p r o p o s e ,   t h e   r o u t i n g   m e c h a n i s m   m u s t   o b t a i n   t h e   L C s   o c c u p a n c y   i n f o r m a t i o n   a b o u t   t h e   p h y s i c a l   l a y e r   a n d   i n c l u d e   t h e   s p e c t r u m   a s s i g n m e n t   i n s i d e   t h e   p a t h   s e l e c t i o n   s o   t h a t   t h e   n o d e s   w o u l d   h a v e   t o   f o l l o w   t h e   d e s i g n a t e d   s p e c t r u m   a n d   p a t h   [ 2 0 ] .   I n   t h i s   p a p e r ,   t h e   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d s   o f   t h e   L C s   a r e   u s e d   a s   a   m e t r i c   t o   d e t e r m i n e   i f   t h e   i d l e   L C   w i l l   b e   i n c l u d e d   i n   t h e   r o u t e   b e t w e e n   t h e   s o u r c e   a n d   d e s t i n a t i o n   o f   t h e   S U s   o r   n o t .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     D e s i g n   a n d   a n a l y s i s   o f   r o u t i n g   p r o t o c o l   f o r   c o g n i t i v e   r a d i o   a d   h o c   n e t w o r k s     ( H a s s a n   A l - M a h d i )   3 4 5 4 . 1 .     M o d i f i e d   r o u t i n g   m e t r i c   T h e   h o p   c o u n t   r o u t i n g   m e t r i c   e m p l o y e d   b y   t h e   A O D V   r o u t i n g   p r o t o c o l   d o e s   n o t   t a k e   i n t o   a c c o u n t   t h e   a c t i v i t y   i n   t h e   P U s   [ 2 1 ] .   M o r e o v e r ,   t h e   b u s y   p e r i o d   o f   a   L C   i s   n o t   r e g a r d e d   i n   r o u t e   d i s c o v e r y   p r o c e s s .   A s   a   r e s u l t ,   a   l o t   o f   t h e   d a t a   p a c k e t s   a r e   d i s c a r d e d   b e c a u s e   o f   t h e   P U   w e i g h t y   u s a g e   o f   t h a t   L C .   T h e r e f o r e ,   t h e   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d   o f   t h e   L C   s h o u l d   b e   r e g a r d e d   w h i l e   d i s c o v e r i n g   t h e   r o u t e .   F o r   s i m p l i c i t y ,   w e   a r e   g o i n g   t o   r e f e r   t o   o u r   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d   o f   t i m e   m e t r i c   a s   E B P   w i t h i n   t h e   s e q u e l .   W e   h a v e   m o d i f i e d   t h e   m i n i m u m   h o p   c o u n t   r o u t i n g   m e t r i c   t o   c o n s i d e r   t h e   e f f e c t   o f   t h e   E B P   i n   r o u t e   d i s c o v e r y   p r o c e s s ,   w h e r e   a   h o p   c o u n t   m e t r i c   w i l l   b e   u s e d   f o r   r o u t e   s e l e c t i o n   o n l y   w h e n   a l l   t h e   a v a i l a b l e   r o u t e s   h a v e   e q u a l   E B P   v a l u e s .   F o r   a n y   t w o   S U s   c o m m u n i c a t i n g   w i t h   e a c h   o t h e r ,   t h e r e   s h o u l d   b e   o n e   o r   m o r e   i d l e   L C   a m o n g s t   t h e i r   r e s p e c t i v e   r e a d i l y   a v a i l a b l e   L C s   s e t s .   I f   t h e r e   i s   s e v e r a l   i d l e   L C s   b e t w e e n   t w o   S U s ,   t h e   b e s t   L C   s h o u l d   b e   c h o s e n   a c c o r d i n g   t o   c h a n n e l   s e l e c t i o n   m e t r i c .   T h e   c h a n n e l   c h o i c e   m e t r i c   E B P   w h i c h   s u g g e s t e d   i n   t h i s   p a p e r   i s   d e f i n e d   a s   t h e   m i n i m u m   v a l u e   o f   t h e   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d s   a m o n g s t   o f   s e l e c t e d   i d l e   L C s   s e t s   b y   a   S U . T h e   e x p r e s s i o n   o f   E B P   c a n   b e   d e r i v e d   a s   f o l l o w s .   D u r i n g   e a c h   t i m e   s l o t ,   t h e   S U   l a b e l e d   a s   = 1 ,   2 ,   3 ,   ,     w i l l   s e l e c t   a n   i d l e   L C     = 1 , 2 , 3 , ,   w i t h   p r o b a b i l i t y   ,   g i v e n   a s     , = [       ] = 1 , = 1 , 2 , 3 , ,     w h e r e   i   i s   t h e   n u m b e r   o f   o n g o i n g   P U s .   L e t   S   b e   a   R V   d e n o t i n g   t h e   n u m b e r   o f   i d l e   L C s   d i s c o v e r e d   b y   t h e   S U   l .   I t   i s   c l e a r   t h a t   t h e   R V S   h a s   t h e   f o l l o w i n g   b i n o m i a l   d i s t r i b u t i o n ,     [ = = ] = , 1 ,       w h e r e   P     b e   a   R V   d e n o t i n g   t h e   P U   s y s t e m   o c c u p a n c y   ( i . e ,   t h e   n u m b e r   o f   o n g o i n g   P U s )   a n d   j C i .   D u r i n g   t h e   r o u t e   e s t a b l i s h m e n t   p r o c e s s ,   w h e n   t h e r e   a r e   m o r e   t h a n   o n e   i d l e   L C   d i s c o v e r e d   b y   t h e   S U ,   t h e   b e s t   L C   s h o u l d   b e   c h o s e n   b a s e d   o n   t h e   c h a n n e l   c h o i c e   m e t r i c   E B P   a c c o r d i n g   t o   t h e   f o l l o w i n g   e x p r e s s i o n     =  [ ] , [ ] , , × [ = = ] [ = ]     4 . 2 .     S p e c t r u m   s e n s i n g   A   s i g n i f i c a n t   c o m p o n e n t   o f   t h e   s u g g e s t e d   p r o t o c o l   i s   t h e   s p e c t r u m   s e n s i n g .   A   c o g n i t i v e   r a d i o   i s   m a d e   t o   b e   a w a r e   o f   a n d   s e n s i t i v e   t o   t h e   c h a n g e s   i n   i t s   e n v i r o n m e n t .   T h e   s p e c t r u m   s e n s i n g   f u n c t i o n a l i t y   i s   u t i l i z e d   t o   r e c o g n i z e   u n u s e d   L C s   [ 2 ] .   T h r e e   s t r a t e g i e s   a r e   o f t e n   u t i l i z e d   f o r   t h e   t r a n s m i t t e r   d e t e c t i o n   a c c o r d i n g   t o   t h e   h y p o t h e s i s   m o d e l .   T h e s e   t h r e e   s t r a t e g i e s   a r e   m a t c h e d   f i l t e r   d e t e c t i o n ,   e n e r g y   d e t e c t i o n   a n d   c y c l e   s t a t i o n a r y   f e a t u r e .   T h e   c o o r d i n a t i o n   b e t w e e n   b o t h   t r a n s c e i v e r s   c a n   b e   d e s c r i b e d   a s   f o l l o w s :   a .   T h e   S U s   u s e s   e n e r g y   d e t e c t i o n   a s   a   s p e c t r u m   s e n s i n g   t e c h n i q u e   t o   d e t e c t   t h e   i d l e   L C s .   b .   T h e   S U s   w i l l   i n f o r m   o t h e r   n e i g h b o r s   a b o u t   t h e   a v a i l a b i l i t y   o f   t h e s e   L C s   d u r i n g   t h e   r o u t e   e s t a b l i s h m e n t   p r o c e s s .     4 . 3 .     S p e c t r u m   a l l o c a t i o n   S p e c t r u m   a l l o c a t i o n   s t r a t e g y   s h o u l d   b e   e f f i c i e n t ,   b e c a u s e   w i t h o u t   e f f i c i e n t   s p e c t r u m   a l l o c a t i o n   t h e   r o u t i n g   p r o t o c o l   c a n n o t   p e r f o r m   w e l l   [ 4 ] .   E v e r y   s i n g l e   n o d e   i d e n t i f i e s   t h e   b e s t   p o s s i b l e   s p e c t r u m   b a n d ,   a s   w e l l   a s   t h e   f a v o r e d   c h a n n e l s   i n s i d e   o f   t h a t   b a n d   d u r i n g   s p e c t r u m   a l l o c a t i o n   p h a s e .   T o   e n a b l e   t h i s ,   w e   u s e   t h e   p r o p o s e d   a c c u m u l a t i v e   E B P   m e t r i c   c o m b i n e d   w i t h   t h e   n u m b e r   o f   h o p   c o u n t   f o r m   s o u r c e   t o   d e s t i n a t i o n .   B a s e d   o n   t h e   g a t h e r e d   s e n s i n g   i n f o r m a t i o n ,   t h e   s p e c t r u m   a l l o c a t i o n   d a t a   s t r u c t u r e s ,   r e s i d i n g   i n   e a c h   n o d e   ( i . e .   S U ) ,   m a k e   a n   a d a p t i v e   d e c i s i o n   o n   t h e   o r d e r   o f   o p e r a t i n g   L C s   a c c o r d i n g   t o   t h e   a c t i v i t i e s   o f   P U s   i n   i t s   v i c i n i t y .   W h e r e   e a c h   S U   i s   e q u i p p e d   w i t h   d a t a   s t r u c t u r e s   c a l l e d   F r e e   H o p p i n g   C h a n n e l   L i s t   ( F H C L ) .   T h e   F H C L   d a t a   s t r u c t u r e   i s   u s e d   t o   r e c o r d   t h e   l i s t   o f   a l l   i d l e   L C s   a n d   U C s   l i s t   o r d e r .   F H C L   i s   p r e d e f i n e d   s e q u e n c e s   u s e d   b y   e a c h   S U   t o   d e t e r m i n e   t h e   o r d e r   i n   w h i c h   t h e   f r e e   L C s   a n d   U C s   a r e   t o   b e   v i s i t e d   i n   t h e   c a s e   o f   s u d d e n l y   a p p e a r a n c e   o f   t h e   P U .   T h i s   s t e p   c a n   b e   d o n e   b y   a p p l y i n g   t h e   r e a c t i v e   c h a n n e l   s e l e c t i o n   s t r a t e g y   i s   u s e d   [ 2 4 ] .   I n   t h i s   s t r a t e g y ,   S U s   m o n i t o r s   t h e   s p e c t r u m   f o r   P U   a c t i v i t y   a n d   w h e n e v e r   P U   a c t i v i t y   i s   d e t e c t e d ,   t h i s   i n f o r m a t i o n   i s   p a s s e d   t o   o t h e r   S U s   a n d   t h e n   S U s   s w i t c h   t o   a n o t h e r   a v a i l a b l e   L C   o r   U C   a c c o r d i n g   t o   t h e   s e q u e n c e s   d e f i n e d   i n   t h e   F H C L   d a t a   s t r u c t u r e .   T h e   U C s   a r e   r a n d o m l y   o r d e r e d   a n d   v i s i t e d   a f t e r   v i s i t i n g   a l l   t h e   L C s   o r d e r   l i s t .   T h e   d a t a   s t r u c t u r e   f o r   t h e   F L C H   a t   e a c h   n o d e   c a n   b e   d e s c r i b e d   a s   f o l l o w s :   F L C H ( i ) . t y p e   d e n o t e s   t h e   c h a n n e l   t y p e ,   w h e r e   i t s   v a l u e   i s   s e t   t o   1   f o r   L C   a n d   2   f o r   U C .   F L C H ( i ) . p r i o r i t y   d e n o t e s   t h e   p r i o r i t y   o f   t h e   i d l e   L C   i .   F L C H ( i ) . s u b p r i o r i t y   d e n o t e s   t h e   p r i o r i t y   o f   t h e   L C   i   w i t h i n   t h e   L C s   s e t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     3 1 4   -   3 5 1   3 4 6 w i t h   s a m e   E B P   v a l u e s .   T h e   v i s i t e d   o r d e r   o f   t h e   f r e e   L C s   w i t h   t h e   s a m e   p r i o r i t y   a r e   s e l e c t e d   b a s e d   o n   t h e   s u b p r i o r i t y   v a l u e .   T h e   p r i o r i t y   o f   e a c h   L C   i s   a s s i g n e d   b a s e d   o n   t h e   p r o p o s e d   E B P   m e t r i c .   T h e   L C   w i t h   m i n i m u m   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d   i s   g i v e n   t h e   h i g h e s t   p r i o r i t y .   F i g u r e   1 - a   i l l u s t r a t e s   a   s i m p l e   e x a m p l e   o f   a   n e t w o r k   t o p o l o g y   w i t h   s i x   P U s   l a b e l e d   a s   P U 1   t h r o u g h   P U 2 ,   w h e r e   e a c h   P U   o p e r a t e s   o n   d i f f e r e n t   s p e c t r u m   w i t h   d i f f e r e n t   c o v e r a g e   a r e a .   S e v e n   S U s ,   l a b e l e d   a s   A   t h r o u g h   F ,   s h a r e   s p e c t r u m   w i t h   P U s .   T h e   n o d e s   A ,   B   a n d   C   a r e   w i t h i n   t h e   s a m e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e   a n d   s h a r e   t h e   U C   8 .   W h i l e   n o d e s   A   a n d   G   a r e   w i t h i n   t h e   s a m e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e   a n d   s h a r e   t h e   U C   7 .   A c c o r d i n g   t o   t h e   F H C L   d a t a   s t r u c t u r e   a t   n o d e   A   i n   F i g u r e   1 - a ,   t h e   L C s   w i t h   i n d i c e s   1   a n d   3   h a v e   t h e   s a m e   E B P   v a l u e s   w i t h   F L C H ( 1 ) . p r i o r i t y   =   1   a n d   F L C H ( 3 ) . p r i o r i t y   =   1 .   I n   s u c h   c a s e ,   t h e   s u b   p r i o r i t i e s   o f   L C s   1   a n d   3   a r e   c h o s e n   r a n d o m l y   u s i n g   f u n c t i o n   r a n d ( 1 , 2 , n ) ,   w h e r e   n   d e n o t e s   t h e   s i z e   o f   L C s   s e t   w i t h   s a m e   E B P   v a l u e s .   I n   t h i s   e x a m p l e   F L C H ( 1 ) . s u b p r i o r i t y   =   r a n d ( 1 , 2 ) = 2   a n d   F L C H ( 3 ) . s u b p r i o r i t y   =   r a n d ( 1 , 2 ) = 1 .   S i n c e   t h e   L C   n u m b e r   6   h a s   t h e   h i g h e s t   v a l u e   o f   E B P   a m o n g   t h e   L C s   1 ,   3   a n d   6   t h e n   F L C H ( 6 ) . p r i o r i t y   =   3   a n d   F L C H ( 6 ) . s u b p r i o r i t y   =   a n d ( 1 ) = 1 .   T h u s   t h e   v i s i t e d   o r d e r   o f   t h e   f r e e   L C s   w i l l   b e   3 ,   1 ,   6 ,   7 ,   8 .   B e s i d e   t h e   F L C H   d a t a   s t r u c t u r e ,   e a c h   n o d e   c o n t a i n s   a   s p e c i a l   f i e l d   c a l l e d   A c c u m u l a t i v e   E x p e c t e d   B u s y   P e r i o d   ( A E B P ) .   T h i s   f i e l d   c o n t a i n s   t h e   s u m m a t i o n   o f   E B P   o f   a l l   l i n k s   w h i c h   c o n s t i t u t e   t h e   r o u t e   f r o m   t h e   c u r r e n t   n o d e   t o   a   d e s t i n a t i o n .   T h e   p r o p o s e d   r o u t i n g   p r o t o c o l   h a s   t h r e e   p h a s e s ,   n a m e l y   n e i g h b o r   d i s c o v e r y ,   r o u t e   d i s c o v e r y   a n d   r o u t e   m a i n t e n a n c e   p h a s e .   T h e   r o u t e   d i s c o v e r y   p h a s e   n e e d s   i n f o r m a t i o n   o f   n e x t - h o p   n o d e   a n d   t h e   d a t a   o f   L C   i n f o r m a t i o n   o f   n e x t - h o p .   E a c h   o f   t h e s e   p h a s e s   i s   d e s c r i b e d   i n   t h e   s u b s e q u e n t   s e c t i o n s .     4 . 4 .     N e i g h b o r   d i s c o v e r y   I n   t h i s   p h a s e ,   w e   a s s u m e   t h a t ,   n o t   a l l   n o d e s   w i t h i n   t h e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e   o f   a   g i v e n   n o d e   a r e   n e i g h b o r s .   O n l y   n o d e s   w i t h   a t   l e a s t   a   c o m m o n   f r e e   L C   w i t h   t h a t   n o d e   a r e   c o n s i d e r e d   t o   b e   n e i g h b o r s .   T h e   n e i g h b o r   d i s c o v e r y   p h a s e   i n   o u r   p r o t o c o l   i s   s i m i l a r   t o   t h e   n e i g h b o r   d i s c o v e r y   p h a s e   o f   A O D V   p r o t o c o l   e x p e c t   a   f e w   m o d i f i c a t i o n s   a r e   m a d e   t o   f i t   t h e   r e q u i r e m e n t   o f   o u r   p r o p o s e d   p r o t o c o l .   O n   b o o t s t r a p   p r o c e s s ,   a l l   S U s   b r o a d c a s t   a   N D _ R E Q   m e s s a g e   ( a s   H e l l o   m e s s a g e   i n   A O D V )   w i t h   f o r m a t :   < s o u r c e _ i p ,   b r o a d c a s t _ i p ,   F L C H >   w h e r e   b r o a d c a s t _ i p   d e n o t i n g   t h e   b r o a d c a s t   a d d r e s s   o f   t h e   n e t w o r k .   U p o n   r e c e p t i o n   o f   N D _ R E Q   m e s s a g e ,   e a c h   S U   w i t h i n   t h e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e   o f   t h e   s e n d e r   n o d e   m a t c h e s   i t s   F L C H   w i t h   t h e   F L C H   i n c l u d e d   i n   t h e   r e c e i v e d   N D _ R E Q   m e s s a g e .   I f   t h e r e   i s   a t   l e a s t   o n e   c o m m o n   f r e e   L C   t h e n   i t   r e p l i e s   w i t h   u n i c a s t   N D _ R E P   m e s s a g e   t o   t h e   s e n d e r   i n   t h e   f o l l o w i n g   f o r m a t :   < s o u r c e _ i p ,   d e s t i n a t i o n _ i p ,   h a s _ F L C > .   T h e   f i e l d   h a s _ F L C = 1   i f   a   n e i g h b o r   h a s   a t   l e a s t   e i t h e r   a   f r e e   c o m m o n   L C   o r   U C   w i t h   t h e   s o u r c e   n o d e .   O t h e r w i s e   i t   s e t   t o   0 .   W h e n   a   S U   r e c e i v e s   a   N D _ R E P   m e s s a g e   i t   c o n s t r u c t s   i t s   a   n e i g h b o r s   t a b l e   ( i . e . ,   p r e c u r s o r s ) .   T h i s   t a b l e   c o n t a i n i n g   t h e   I P   a d d r e s s e s   o f   i t s   n e i g h b o r s   t h a t   a r e   l i k e l y   t o   u s e   i t   a s   a   n e x t   h o p   t o w a r d s   e a c h   d e s t i n a t i o n .   T h e s e   p r e c u r s o r s   w i l l   r e c e i v e   n o t i f i c a t i o n s   f r o m   t h e   n o d e   o n   C C C   i n   t h e   c a s e   o f   s u d d e n l y   a p p e a r a n c e   o f   t h e   P U   o n   o n e   o f   t h e   c o m m o n   f r e e   L C s .   F i g u r e   1 - b   r e p r e s e n t s   4   S U s   a n d   4   P U s   n o d e s .   T h e   S U s   A ,   B ,   C   a n d   D   a r e   i n   t h e   s a m e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e .   T h e   p r i m a r y   u s e r s   P U 1 ,   P U 2 ,   P U 3   a n d   P U 4   r e p r e s e n t   t h e   a v a i l a b l e   L C s   1 ,   2 ,   3   a n d   4   r e s p e c t i v e l y   w i t h   d i f f e r e n t   t r a n s m i s s i o n   r a n g e s .   T h e   L C s   3   a n d   4   a r e   b u s y   w h i l e   t h e   L C s   1   a n d   2   a r e   i d l e .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 - b ,   a f t e r   t h e   n e i g h b o r   d i s c o v e r y   s t e p ,   t h e   4   S U s   n o d e s   h a v e   a   l i s t   o f   n e i g h b o r s   t h a t   a r e   l i k e l y   t o   u s e   i t   a s   a   n e x t   h o p .   W h e n   s t a t e   o f   a n y   L C   w i t h i n   t h e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e   o f   a   g i v e n   n o d e   i s   c h a n g e d ,   a   n o t i f i c a t i o n   f r o m   t h a t   n o d e   w i l l   b e   s e n t   t o   a l l   i t s   n e i g h b o r s   o n   C C C .   A s   a   r e s u l t ,   a l l   i t s   n e i g h b o r s   u p d a t e   t h e i r   n e i g h b o r   t a b l e s .           ( a ) .   T h e   f r e e   h o p p i n g   c h a n n e l   l i s t   o f   n o d e   A               ( b ) .   T h e   n e i g h b o r   d i s c o v e r y   p r o c e s s     F i g u r e   1 .   S p e c t r u m   a l l o c a t i o n   a n d   n e i g h b o r   d i s c o v e r y   p r o c e s s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     D e s i g n   a n d   a n a l y s i s   o f   r o u t i n g   p r o t o c o l   f o r   c o g n i t i v e   r a d i o   a d   h o c   n e t w o r k s     ( H a s s a n   A l - M a h d i )   3 4 7 I f   t h e   d e s t i n a t i o n   n o d e   w i t h i n   t h e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e   o f   t h e   s o u r c e   n o d e   t h e n   i t   n e g o t i a t e s   w i t h   d e s t i n a t i o n   n o d e   a b o u t   t h e   L C s   a n d   U C s   F H S .   T o   c o m p l e t e   t h e   n e g o t i a t i o n   p r o c e s s ,   t h e   s o u r c e   n o d e   s e n d s   a   u n i c a s t   R R E Q   m e s s a g e   t o   t h e   d e s t i n a t i o n   n o d e .   T h e   R R E Q   m e s s a g e   c o n t a i n s   a   s p e c i a l   f i e l d   c a l l e d   R E Q _ t y p e .   I f   t h e   d e s t i n a t i o n   n o d e   i s   a   n e i g h b o r   o f   t h e   s o u r c e   n o d e   t h e n   t h e   v a l u e   o f   t h i s   f i e l d   i s   0 .   O t h e r w i s e ,   i t s   v a l u e   i s   s e t   t o   1 .   I n   a d d i t i o n ,   a   n e w   f i e l d   i s   a d d e d   t o   t h e   t r a d i t i o n a l   R R E Q   m e s s a g e   o f   t h e   A O D V   t o   f i t   t h e   r e q u i r e m e n t   o f   t h e   c o g n i t i v e   r a d i o   e n v i r o n m e n t .   T h i s   f i e l d   c o n t a i n s   t h e   F L C H   a t   t h e   s o u r c e   n o d e .   I n   s u c h   c a s e ,   s o u r c e   n o d e   t r a n s m i t s   R R E Q   m e s s a g e   t o   t h e   d e s t i n a t i o n   w i t h   f o r m a t :   < s o u r c e _ i p ,   d e s t i n a t i o n _ i p ,   F L C H ,   R E G _ t y p e = 0 > .   U p o n   r e c e i v i n g   t h e   R R E Q   m e s s a g e ,   t h e   d e s t i n a t i o n   m a t c h e s   i t s   F L C H   w i t h   t h e   F L C H   i n   t h e   R R E Q   m e s s a g e .   I f   t h e r e   i s   s t i l l   a t   l e a s t   o n e   c o m m o n   L C   o r   U C   t h e n   i t   r e p l i e s   w i t h   a   R o u t e   R e p l y   ( R R E P )   m e s s a g e   t o   t h e   s o u r c e   w i t h   f o r m a t :   < s o u r c e _ i p ,   d e s t i n a t i o n _ i p ,   F H S > ,   w h e r e   F H S   d e n o t i n g   t h e   h o p p i n g   s e q u e n c e   d a t a   s t r u c t u r e   w h i c h   c o n t a i n s   a l l   t h e   c o m m o n   i d l e   L C s   o r d e r e d   a c c o r d i n g   t o   t h e i r   p r i o r i t y   a n d   s u b p r i o r t y   f i e l d s .   I n   a d d i t i o n ,   i t   c o n t a i n s   l i s t   o f   t h e   c o m m o n   i d l e   U C s   a t   t h e   e n d   o f   t h e   L C s   o r d e r   l i s t .   A   n o d e   d i s s e m i n a t e s   a   R R E Q   m e s s a g e   w i t h   f o r m a t :     < s o u r c e _ i p ,   d e s t i n a t i o n _ i p ,   F L C H ,   R E G _ t y p e = 1 > .     W h e n   i t   d e t e r m i n e s   t h a t   i t   n e e d s   a   r o u t e   t o   a   d e s t i n a t i o n   a n d   d o e s   n o t   h a v e   o n e   a v a i l a b l e .   T h i s   c a n   h a p p e n   i f   t h e   d e s t i n a t i o n   i s   p r e v i o u s l y   u n k n o w n   t o   t h e   n o d e ,   o r   i f   a   p r e v i o u s l y   v a l i d   r o u t e   t o   t h e   d e s t i n a t i o n   e x p i r e s   o r   i s   m a r k e d   a s   i n v a l i d   [ 2 2 ] .   I n   d i s c o v e r   a   r o u t e   p h a s e ,   u n l i k e   t o   t h e   A O D V   r o u t i n g   p r o t o c o l ,   a   s o u r c e   n o d e   m u l t i c a s t i n g   a   R o u t e   R e q u e s t   ( R R E Q )   m e s s a g e   t o   a l l   t h e   n o d e s   i n   i t s   n e i g h b o r   t a b l e   w h i c h   c o n s t r u c t e d   i n   t h e   n e i g h b o r   d i s c o v e r y   p h a s e   w i t h   h a s _ F L C = 1 .   T h e   r e a s o n   f o r   m u l t i c a s t i n g   m e s s a g e   i s   t h a t   t h e   o t h e r   S U s   n e i g h b o r s   n o d e s   w i t h   h a s _ F L C = 0   h a v e   n o   a t   l e a s t   a   c o m m o n   f r e e   i d l e   w i t h   t h e   s o u r c e   n o d e .   T h i s   s t r a t e g y   w i l l   m i n i m i z e   t h e   b a n d w i d t h   c o n s u m e d   f o r   e s t a b l i s h i n g   a   r o u t e   t o   a   d e s t i n a t i o n .   T h e   s o u r c e   n o d e   w a i t s   f o r   a   c e r t a i n   a m o u n t   o f   t i m e   f o r   t h e   a r r i v a l   o f   R R E P   m e s s a g e s ,   o t h e r w i s e   t h e   n o d e   c o n s i d e r s   t h e   d e s t i n a t i o n   n o d e   t o   b e   u n r e a c h a b l e   a n d   d r o p s   t h e   p a c k e t .   I f   t h e   s o u r c e   n o d e   r e c e i v e s   a   R R E P   m e s s a g e ,   t h e n   i t   u p d a t e s   t h e   r o u t i n g   t a b l e .   T h e   f o l l o w i n g   c h a n g e s   a r e   m a d e   t o   t h e   r o u t i n g   R R E Q   a n d   R R E P   m e c h a n i s m   w i t h i n   t h e   A O D V   r o u t i n g   p r o t o c o l .   O n   r e c e p t i o n   o f   R R E Q   m e s s a g e ,   a l l   t h e   n e i g h b o r s   o f   t h e   s o u r c e   n o d e   f o l l o w   t h e s e   s t e p s :   1 .   I f   a   n e i g h b o r   h a s   f o r w a r d e d   t h i s   R R E Q   b e f o r e   f r o m   t h e   s o u r c e   t h e n   i t   j u s t   d r o p s   i t   w h i c h   r e s u l t e d   i n   t h e   l o o p s   a v o i d a n c e .   2 .   I f   a   n e i g h b o r   h a s   n o   a n   a c t i v e   r o u t e   t o   t h e   d e s t i n a t i o n ,   i t   r e b r o a d c a s t s   t h e   R R E Q   t o   i t s   o w n   n e i g h b o r s   a f t e r   i n c r e a s i n g   t h e   h o p   c o u n t .   3 .   I f   i t   h a s   a n   a c t i v e   r o u t e   t o   t h e   d e s t i n a t i o n ,   t h e n   i t   c o m p a r e s   i t s   F L C H   w i t h   t h e   F L C H   i n c l u d e d   i n   t h e   r e c e i v e d   R R E Q   m e s s a g e .   U p o n   t h e   c o m p a r i s o n   p r o c e s s ,   o n e   o f   t h e   f o l l o w i n g   c a s e s   w i l l   b e   h a p p e n s :   a .   C a s e   1 :   I f   t h e r e   i s   s t i l l   a t   l e a s t   o n e   c o m m o n   f r e e   w i t h   t h e   s o u r c e   n o d e   t h e n   i t   c a n   r e s p o n d   t o   t h e   R R E Q   b y   u n i c a s t i n g   a   R o u t e   R e p l y   ( R R E P )   t o   t h e   s o u r c e   n o d e   t h r o u g h   t h e   r e v e r s e   p a t h   w i t h   f o l l o w i n g   f o r m a t :   s o u r c e _ i p , d e s t i n a t i o n _ i p , F H S , h o p _ c o u n t , A E B P .   A s   a f o r e m e n t i o n e d ,   t h e   f i e l d   A E B P   c o n t a i n s   t h e   s u m m a t i o n   o f   E B P   o f   a l l   L C s   l i n k s   w h i c h   c o n s t i t u t e   t h e   r o u t e   f r o m   t h e   c u r r e n t   n o d e   t o   a   d e s t i n a t i o n .   T h e   c u r r e n t   n o d e   u p d a t e s   i t s   r o u t i n g   t a b l e   b y   a d d i n g   a   v a l i d   r o u t e   t o   t h e   s o u r c e   n o d e .   b .   C a s e   2 :   I f   t h e r e   i s   n o   a t   l e a s t   o n e   c o m m o n   f r e e   c h a n n e l   w i t h   t h e   s o u r c e   n o d e   t h e n   i t   d r o p s   t h e   R R E Q   m e s s a g e .   4 .   I f   t h e   s o u r c e   n o d e   r e c e i v e s   m u l t i p l e   R R E P   t h e n   i t   s e l e c t s   o n e   w i t h   t h e   m i n i m u m   v a l u e   o f   t h e   f i e l d   A E B P .   I f   a l l   r o u t e   h a v e   t h e   s a m e   v a l u e   o f   f i e l d   A E B P ,   t h e n   i t   s e l e c t s   t h e   n o d e   w i t h   t h e   m i n i m u m   n u m b e r   o f   h o p s .   D u r i n g   t h e   r o u t e   d i s c o v e r y   p r o c e s s ,   t h e   c o l l e c t e d   i n f o r m a t i o n   a r e   s t o r e d   i n   a   t a b u l a r   f o r m   i n   a   n o d e .   T h i s   t a b l e   i s   c a l l e d   r o u t i n g   t a b l e .   T h e   i n f o r m a t i o n   s t o r e d   i n   t h e   r o u t i n g   t a b l e   i n c l u d e s   t h e   f o l l o w i n g   d a t a :     < d e s t i n a t i o n _ i p ,   n e x t _ h o p ,   F H S ,   A E B P h o p _ c o u n t ,   s e q u e n c e _ n u m b e r ,   T T L ,   l i f e t i m e > .   T h e   s e q u e n c e   n u m b e r   i s   u s e d   t o   d e t e c t   d u p l i c a t e   R R E Q   p a c k e t s .   T T L   p r e v e n t s   R R E Q   p a c k e t s   f r o m   f l o o d i n g   t h r o u g h   t h e   n e t w o r k .   F o r   e a c h   o f   t h e   n o d e   i n   t h e   n e t w o r k   t h e r e   i s   o n e   e n t r y   i n   t h e   t a b l e .   T h e   n e x t _ h o p   f i e l d   s p e c i f i e s   t h e   I P   a d d r e s s   o f   t h e   n e x t   n o d e   o f   t h e   p a t h .   T h e   F H S   s p e c i f i e s   t h e   f r e q u e n c y   h o p p i n g   s e q u e n c e   o f   t h e   n e x t   h o p   n o d e .   T h e   s e q u e n c e _ n o   i s   i n c l u d e d   t o   a v o i d   t h e   l o o p i n g   o f   p a t h s .   T h e   l i f e t i m e   f i e l d   i n d i c a t e s   t h e   p e r i o d   f o r   w h i c h   a   p a t h   i s   v a l i d .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 - a ,   t h e r e   a r e   t h r e e   a l t e r n a t i v e s   r o u t e s   f r o m   n o d e   A   t o   n o d e   S .   W h e n   n o d e   A   r e c e i v e s   t h e   R R E P   m e s s a g e s   f r o m   t h e   n o d e s   B ,   C   a n d   E ,   i t   s e l e c t s   t h e   r o u t e   v i a   n o d e   B   b e c a u s e   t h i s   r o u t e   h a s   t h e   l o w e s t   A E B P   v a l u e s   b e t w e e n   t h e   o t h e r   r o u t e s .   T h e   r o u t e s   v i a   t h e   n o d e s   C   a n d   E   a r e   m a i n t a i n e d   i n   t h e   r o u t i n g   t a b l e   a s   b a c k u p   r o u t e s   i n   t h e   c a s e   o f   r o u t e   f a i l u r e .   T h e s e   r o u t e s   a r e   s o r t e d   b a s e d   o n   t h e   v a l u e   o f   A E B P   a n d   t h e   h o p   c o u n t   n u m b e r .     4 . 5 .     R o u t e   m a i n t e n a n c e   A   r o u t e   m a i n t e n a n c e   a n d   r e c o v e r y   i s   f a r   m o r e   c o m p l e x   i n   m u l t i - h o p   C R   a d   h o c   n e t w o r k s   t h a n   t h a t   i n   t r a d i t i o n a l   m u l t i - h o p   m u l t i - c h a n n e l   a d   h o c   N e t w o r k s   ( m i s s i n g   c i t a t i o n ) .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 - b ,   w h e n   a   l i n k   b e t w e e n   t w o   n o d e s   A   a n d   B   i s   d i s c o n n e c t e d   w i t h   t h e   P U   a p p e a r a n c e ,   b o t h   n o d e s   c h a n g e   t o   t h e   s e c o n d   f r e e   L C   a c c o r d i n g   t o   t h e   F H S .   I f   t h e   s e c o n d   c h a n n e l   i s   b u s y ,   t h e y   s w i t c h   t o   t h e   t h i r d   a n d   s o   o n .   S h o u l d   t h e y   r e a c h   t o   t h e   l a s t   L C   i n   F H S   l i s t   a n d   t h a t   c h a n n e l   i s   b u s y ,   t h e y   s e a r c h   f o r   t h e   U C s   i n   t h e   F H S .   I f   t h e r e   i s   n o   f r e e   c h a n n e l   i n   F H S ,   n o d e   A   s e a r c h e s   i t s   r o u t i n g   t a b l e   f o r   a n o t h e r   r o u t e   t o   d e s t i n a t i o n .   I f   t h e r e   i s   n o   r o u t e ,   t h e   s e s s i o n   i s   e n d e d   a n d   a   R E R R   ( R o u t e   E r r o r )   m e s s a g e   i s   d e l i v e r e d   t o   t h e   s o u r c e   n o d e .   T h e   l a t e r   s e a r c h e s   i t s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     3 1 4   -   3 5 1   3 4 8 r o u t i n g   t a b l e   f o r   a n o t h e r   r o u t e   t o   d e s t i n a t i o n   o r   r e - i n i t i a t e s   R R E Q   i f   t h e r e   i s   n o   r o u t e   t o   t h e   d e s t i n a t i o n   i n   i t s   r o u t i n g   t a b l e .         ( a ) .   R o u t e   d i s c o v e r y   f o r   n o d e   A     ( b ) .   R o u t e   m a i n t e n a n c e   m e c h a n i s m     F i g u r e   2 .   T h e   P r o c e s s   o f   r o u t e   d i s c o v e r y   a n d   m a i n t e n a n c e       5 .   S I M U L A T I O N   A N S   D I S C U S S I O N   I n   t h i s   s e c t i o n ,   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   H C R   p r o t o c o l   i s   e v a l u a t e d   t h r o u g h   a   s i m u l a t i o n   s t u d y .   W e   i m p l e m e n t   H C R   v i a   a   d i s c r e t e - e v e n t   s i m u l a t i o n   w h i c h   w e   d e v e l o p e d   u s i n g   J A V A   p l a t f o r m .   F i g u r e   3   i l l u s t r a t e s   t h e   n e t w o r k   t o p o l o g y   u s e d   i n   c o n d u c t e d   s i m u l a t i o n   e x p e r i m e n t .   F i r s t ,   w e   i l l u s t r a t e   t h   s i m u l a t i o n   p a r a m e t e r s .   S e c o n d ,   w e   e v a l u a t e   o u r   H C R   p r o t o c o l   t h r o u g h   c o m p a r i n g   i t   w i t h   t h e   A d   h o c   o n - d e m a n d   d i s t a n c e   v e c t o r   ( A O D V )   p r o t o c o l .           F i g u r e   3 .   S i m u l a t i o n   n e t w o r k   t o p o l o g y       5 . 1 .     S i m u l a t i o n   p a r a m e t e r s   I n   F i g u r e   3 ,   t h e   s i m u l a t i o n   r e g i o n   i s   s q u a r e   w i t h   3 0 0 × 3 0 0 m ,   i n   w h i c h   1 0   S U s   a n d   7   P U s   a r e   r a n d o m l y   d i s t r i b u t e d .   F o u r   P U   b a s e   s t a t i o n s   ( B S s )   a r e   i n s t a l l e d   t o   s e r v e   f o u r   d i f f e r e n t   a r e a s .   E a c h   B S   u t i l i z e s   a f f i x e d   n u m b e r   o f   L C s   i n   r a n d o m   m a n n e r .   I n   a d d i t i o n ,   e a c h   S U   h a s   s e t   o f   d a t a   U C s   s h a r e d   w i t h   o t h e r   S U s   w i t h i n   t h e   s a m e   t r a n s m i s s i o n   r a n g e .   W e   a s s u m e   t h a t   e a c h   S U   h a s   a l w a y s   a   p a c k e t   w i t h   f i x e d - s i z e   t o   b e   s e n d .   T h e   p a c k e t s   a t   e a c h   S U   i s   g e n e r a t e d   u s i n g   f t p / T C P   t r a f f i c   m o d e l .   T h e   e x p e c t e d   b u s y   p e r i o d   o f   L C s   a r e   c a l c u l a t e d   u s i n g   t h e   m o d i f i e d   r o u t i n g   m e t r i c   d e r i v e d   s e c t i o n   4 . 1 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     D e s i g n   a n d   a n a l y s i s   o f   r o u t i n g   p r o t o c o l   f o r   c o g n i t i v e   r a d i o   a d   h o c   n e t w o r k s     ( H a s s a n   A l - M a h d i )   3 4 9 5 . 2 .     S i m u l a t i o n   r e s u l t s   T h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   H C R   r o u t i n g   p r o t o c o l   i s   e v a l u a t e d   i n   t e r m s   o f   n u m b e r   o f   f a i l e d   c o n n e c t i o n s ,   l i n k   m a i n t e n a n c e   p r o b a b i l i t y ,   n u m b e r   o f   s u c c e s s f u l   c o n n e c t i o n s   a n d   S U   t h r o u g h p u t .   F i g u r e   4 - a   i l l u s t r a t e s   t h e   n u m b e r   o f   s u c c e s s f u l   c o n n e c t i o n s   a g a i n s t   t h e   P U   t r a f f i c   l o a d .   I t   i s   s h o w n   t h a t   t h e   p a c k e t   n u m b e r   o f   s u c c e s s f u l   c o n n e c t i o n s   o f   S U s   d e c r e a s e s   i n   b o t h   H C R   a n d   A O D V   p r o t o c o l s   w i t h   i n c r e a s i n g   t h e   P U   t r a f f i c   l o a d .   M o r e o v e r ,   t h e   p r o p o s e d   H C R   p r o t o c o l   a c h i e v e   h i g h e r   n u m b e r   o f   s u c c e s s f u l   c o n n e c t i o n s   c o m p a r e d   t o   t h e   A O D V   r o u t i n g   p r o t o c o l .   F i g u r e   4 - b   i l l u s t r a t e s   t h e   n u m b e r   o f   f a i l e d   c o n n e c t i o n s   a g a i n s t   t h e   P U   t r a f f i c   l o a d .   I n   t h i s   F i g u r e ,   w h e n   t h e   h o m o g e n e o u s   e n v i r o n m e n t   i s   u s e d   ( i . e . ,   L C s   o n l y ) ,   t h e   n u m b e r   o f   f a i l e d   c o n n e c t i o n   i n c r e a s e s .   O n   t h e   o t h e r   h a n d ,   w h e n   H C R   p r o t o c o l   i s   u s e d ,   t h e   n u m b e r   o f   f a i l e d   c o n n e c t i o n   i n c r e a s e s   b u t   o u t p e r f o r m s   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   A O D V   b y   6 2 % .   F i g u r e s   5 - a   a n d   5 - b   i l l u s t r a t e   S U   t h r o u g h p u t   ( K b p s )   a g a i n s t   b o t h   t h e   P U   a n d   S U   t r a f f i c   l o a d   r e s p e c t i v e l y .   T o   m a k e   a   f a i r   c o m p a r i s o n   b e t w e e n   H C R   a n d   A O D V ,   w e   u s e   t h e   s a m e   n u m b e r   o f   c h a n n e l s   f o r   e a c h   p r o t o c o l .   H o w e v e r ,   t h e   t y p e   o f   c h a n n e l   w i l l   b e   d i f f e r e n t   f r o m   o n e   p r o t o c o l   t o   a n o t h e r .   F o r   A O D V ,   = 1 0   a n d   = 0   a r e   u s e d   s i n c e   t h i s   p r o t o c o l   o p e r a t e s   o v e r   t h e   L C s   o n l y .   F o r   t h e   H C R   p r o t o c o l ,   = 6   a n d   = 4 .   T h e   F i g u r e s   i l l u s t r a t e   t h a t   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   H C R   p r o t o c o l   o u t p e r f o r m s   A O D V   i n   b o t h   P U   a n d   S U   d i f f e r e n t   t r a f f i c   l o a d .   F i n a l l y ,   F i g u r e s   6 - a   a n d   6 - b   s h o w   t h e   m a i n t e n a n c e   i n   o u r   e x p e r i m e n t s .   I n   t h e   H C R   r o u t i n g   p r o t o c o l ,   u p o n   a   n o d e   d e t e c t s   a   c e r t a i n   r o u t e   b e c o m e s   u n a v a i l a b l e ,   i t   i n i t i a t e s   a   l o c a l   r o u t i n g   p r o c e s s   t o   m a i n t a i n   a n   a l t e r n a t i v e   r o u t e   t o   t h e   n e x t   h o p .   F r o m   t h e   F i g u r e s ,   w e   n o t e   t h a t   t h e   p r o p o s e d   H C R   r o u t i n g   p r o t o c o l   o u t p e r f o r m s   t h e   A O D V   r o u t i n g   p r o t o c o l   i n   b o t h   f i x e d   a n d   v a r i a n t   t h e   O U   t r a f f i c   l o a d .         ( a ) .   S u c c e s s f u l   c o n n e c t i o n s     ( b ) .   F a i l u r e   c o n n e c t i o n s     F i g u r e   4 .   N n u m b e r   o f   s u c c e s s f u l   a n d   f a i l u r e   c o n n e c t i o n s         ( a ) .   S U   t h r o u g h p u t   v e r s u s   t h e   P U   t r a f f i c   l o a d     ( b ) .   S U   t h r o u g h p u t   v e r s u s   t h e   S U   t r a f f i c   l o a d     F i g u r e   5 .   S U   t h r o u g h p u t   v e r s u s   t h e   S U   a n d   P U   t r a f f i c   l o a d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     3 1 4   -   3 5 1   3 5 0   ( a ) .   S U   l i n k   m a i n t e n a n c e   v r s .   t h e   P U   t r a f f i c   l o a d     ( b ) .   S U   l i n k   m a i n t e n a n c e   v r s .   t h e   S U   t r a f f i c   l o a d     F i g u r e   6 .   L i n k   m a i n t e n a n c e   v e r s u s   d i f f r e n t   u s e r s   t r a f f i c   l o a d       6 .   C O N C L U S I O N   I n   t h i s   p a p e r ,   w e   d e v e l o p e d   t h e   H C R   r o u t i n g   p r o t o c o l   t h a t   f o r m u l a t e s   a n d   s e l e c t s   s t a b l e   r o u t e   b a s e d   o n   b o t h   l i c e n s e d   a n d   u n l i c e n s e d   s p e c t r u m   t o   a v o i d   t h e   i n t e r r u p t i o n   o f   t h e   S U s   t r a n s m i s s i o n s   d u e   t o   t h e   s u d d e n   a p p e a r a n c e   o f   t h e   P U s   i n   t h e   C R M A N E T s .   T h e   d e t a i l s   o f   t h e   H C R   a n d   a   t r a n s m i s s i o n   c o s t   m e t r i c   b a s e d   o n   t h e   L C s   b u s y   p e r i o d   a r e   i n t r o d u c e d .   A   m a t h e m a t i c a l   f o r   t h e   P U   c h a n n e l   t r a f f i c   a n d   b u s y   p e r i o d   a r e   i n t r o d u c e d .   S i m u l a t i o n   e x p e r i m e n t s   s h o w   t h a t ,   t h e   p r o p o s e d   H C R   o u t p e r f o r m s   T h e   A O D V   r o u t i n g   p r o t o c o l   i n   t e r m s   o f   n u m b e r   o f   t h e   f a i l e d   c o n n e c t i o n s ,   l i n k   m a i n t e n a n c e   p r o b a b i l i t y   d e l a y ,   n u m b e r   o f   s u c c e s s f u l   c o n n e c t i o n s   a n d   S U   t h r o u g h p u t .   F r o m   t h e   o b t a i n e d   r e s u l t s ,   w e   c o n c l u d e d   t h a t ,   u s i n g   a   c o m b i n a t i o n   o f   c h a n n e l s   f r o m   L C s   a n d   U C s   i n   a   r o u t e   f o r m u l a t i o n   i s   a   b e t t e r   t h a n   u s i n g   h o m o g e n e o u s   s p e c t r u m   ( i . e . ,   L C   o n l y ) .       R E F E R E N C E S     [ 1 ]   S i m o n   H a y k i n ,   C o g n i t i v e   r a d i o :   b r a i n - e m p o w e r e d   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o n s ,   I E E E   j o u r n a l   o n   s e l e c t e d   a r e a s   i n   c o m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   2 3 ,   n o .   2 ,   p p .   2 0 1 2 2 0 ,   2 0 0 5 .   [ 2 ]   I a n   F   A k y i l d i z ,   W o n - Y e o l   L e e ,   M e h m e t   C   V u r a n ,   a n d   S h a n t i d e v   M o h a n t y ,   N e x t   g e n e r a t i o n / d y n a m i c   s p e c t r u m   a c c e s s / c o g n i t i v e   r a d i o   w i r e l e s s   n e t w o r k s :   A   s u r v e y ,   C o m p u t e r   n e t w o r k s ,   v o l .   5 0 ,   n o .   1 3 ,   p p .   2 1 2 7 2 1 5 9 ,   2 0 0 6 .   [ 3 ]   M a t t e o   C e s a n a ,   F r a n c e s c a   C u o m o ,   a n d   E y l e m   E k i c i ,   R o u t i n g   i n   c o g n i t i v e   r a d i o   n e t w o r k s :   C h a l l e n g e s   a n d   s o l u - t i o n s ,   A d   H o c   N e t w o r k s ,   v o l .   9 ,   n o .   3 ,   p p .   2 2 8 2 4 8 ,   2 0 1 1 .   [ 4 ]   L i ,   S h e n g h o n g ,   e t   a l .   S p e c t r u m   S e n s i n g   f o r   C o g n i t i v e   R a d i o s   w i t h   U n k n o w n   N o i s e   V a r i a n c e   a n d   T i m e - v a r i a n t   F a d i n g   C h a n n e l s ,   I E E E   A c c e s s   5 ,   p p .   2 1 9 9 2 - 2 2 0 0 3 ,   2 0 1 7 .   [ 5 ]   B a n e r j e e ,   A v i k ,   A n a l   P a u l ,   a n d   S a n t i   P r a s a d   M a i t y .   J o i n t   p o w e r   a l l o c a t i o n   a n d   r o u t e   s e l e c t i o n   f o r   o u t a g e   m i n i - m i z a t i o n   i n   m u l t i h o p   c o g n i t i v e   r a d i o   n e t w o r k s   w i t h   e n e r g y   h a r v e s t i n g ,   I E E E   T r a n s a c t i o n s   o n   C o g n i t i v e   C o m m u n i c a t i o n s   a n d   N e t w o r k i n g ,   4 . 1 ,   8 2 - 9 2 ,   2 0 1 8 .   [ 6 ]   X u ,   C h i ,   e t   a l .   E n d - t o - e n d   t h r o u g h p u t   m a x i m i z a t i o n   f o r   u n d e r l a y   m u l t i - h o p   c o g n i t i v e   r a d i o   n e t w o r k s   w i t h   R F   e n e r g y   h a r v e s t i n g ,   I E E E   T r a n s a c t i o n s   o n   W i r e l e s s   C o m m u n i c a t i o n s   1 6 . 6 ,   3 5 6 1 - 3 5 7 2 ,   2 0 1 7 .   [ 7 ]   G u i r g u i s ,   A r s a n y ,   e t   a l .   P r i m a r y   U s e r - a w a r e   O p t i m a l   D i s c o v e r y   R o u t i n g   f o r   C o g n i t i v e   R a d i o   N e t w o r k s ,   I E E E   T r a n s a c t i o n s   o n   M o b i l e   C o m p u t i n g ,   2 0 1 8 .   [ 8 ]   G e n g   C h e n g ,   W e i   L i u ,   Y u n z h a o   L i ,   a n d   W e n q i n g   C h e n g ,   S p e c t r u m   a w a r e   o n - d e m a n d   r o u t i n g   i n   c o g n i t i v e   r a d i o   n e t w o r k s ,   i n   N e w   F r o n t i e r s   i n   D y n a m i c   S p e c t r u m   A c c e s s   N e t w o r k s ,   2 0 0 7 .   D y S P A N   2 0 0 7 .   2 n d   I E E E   I n t e r n a t i o n a l   S y m p o s i u m   o n ,   p p .   5 7 1 5 7 4 .   I E E E ,   2 0 0 7 .   p p .   6 0 3 6 0 9 ,   2 0 1 6 .   [ 9 ]   S h i h - C h u n   L i n   a n d   K w a n g - C h e n g   C h e n ,   S p e c t r u m   a w a r e   o p p o r t u n i s t i c   r o u t i n g   i n   c o g n i t i v e   r a d i o   n e t w o r k s ,   i n   G l o b a l   T e l e c o m m u n i c a t i o n s   C o n f e r e n c e   ( G L O B E C O M   2 0 1 0 ) ,   2 0 1 0   I E E E ,   p p .   1 6 .   I E E E ,   2 0 1 0 .   [ 1 0 ]   F e i l o n g   T a n g ,   C a n   T a n g ,   Y a n q i n   Y a n g ,   L a u r e n c e   T   Y a n g ,   T o n g   Z h o u ,   J i e   L i ,   a n d   M i n y i   G u o ,   D e l a y - m i n i m i z e d   r o u t i n g   i n   m o b i l e   c o g n i t i v e   n e t w o r k s   f o r   t i m e - c r i t i c a l   a p p l i c a t i o n s ,   I E E E   T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u s t r i a l   I n f o r m a t i c s ,   v o l .   1 3 ,   n o .   3 ,   p p .   1 3 9 8 1 4 0 9 ,   2 0 1 7 .   [ 1 1 ]   W a n g ,   J i e ,   e t   a l .   S p e c t r u m - a w a r e   a n y p a t h   r o u t i n g   i n   m u l t i - h o p   c o g n i t i v e   r a d i o   n e t w o r k s ,   I E E E   T r a n s a c t i o n s   o n   M o b i l e   C o m p u t i n g   1 6 . 4 ,   1 1 7 6 - 1 1 8 7 ,   2 0 1 7 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.