专利名称：基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线传感器网络技术领域的方法，具体是一种能够有效地提高无线传感器网络的吞吐量和时延性能，同时能够很好地避免其他网络的干扰，特别适用于在ISM公共频段工作的无线传感器网络的基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法。
背景技术：
近些年来，工作在未授权频段的无线传感器网络(WSN)的应用越来越广泛。然而， 有证据显示现有的未授权频段正变得越来越拥挤。另一方面，随着近期认知无线电(CR)技术的发展，人们可以将动态频谱接入(DSA)模型应用到无线传感器网络中，以接入到非拥塞的频段，或者拥有更好传播特性的频段。
动态频谱接入是资源受限的多跳无线传感器网络中的一种有前途的和频率高效的通信方法。这决定于无线传感器网络的事件驱动的通信特点，即无线传感器网络总是产生类似于事件特征的突发数据流。另外，动态频谱接入也可以帮助多覆盖的传感器网络实现调度，并可以消除碰撞和大密度的节点部署引起的过竞争时延。Akan O. B.和Karli O. B.在参考文献“CognitiveRadio Sensor Networks (认知无线电传感器网络)”中公开了 CRSN的设计准则，潜在优势，应用领域和网络架构。作者讨论了现有的为认知无线电网络和无线传感器网络设计中的通信协议和算法并研究了实现CRSN的方法。作者还公开了各种频谱感知技术的概况。
现有的很多DSA算法都引入了一个公共控制信道(CCC)来进行协商。在公共控制信道上使用控制信号来协调通信过程。Zhiwu L.和Wei W.在参考文献“A Dynamic Mu111-radioMuIt1-channeI MAC Protocol for Wireless Sensor Networks ( 一种动态的多天线多信道无线传感器网络MAC协议)”中，提出了无线传感器网络中的一种动态多天线多信道介质接入控制(DMMA)算法。这种算法可以根据频谱环 境的变化动态地选择信道，还能使网络更容易抵抗来自外部环境的干扰。同时,考虑到能量效率，DMMA使用一种睡眠机制来减少能量消耗。在DMMA算法中，节点使用两个天线，一个被称为控制天线，另一个是数据天线。控制天线用来发送控制消息并工作在控制信道。数据天线用来发送数据并可以工作在多个数据信道上面。该方案当控制信道是固定的，并不受外部环境的干扰。作者使用 RTS/CTS机制来协商数据传输过程，并且在RTS/CTS中加入了空闲信道信息。
还有学者提出了一些不需要公共控制信道的动态频谱接入算法。Hang S.和Xi Z.在参考文献“Channel-hopping based single transceiver MAC for cognitive radio networks (基于跳频的单天线认知无线电网络MAC协议)”中提出了同步无线网络中的基于跳频的认知无线电介质接入控制(MAC)协议。在该网络中，次用户能够在不对主用户产生干扰的前提下，适时地利用空闲的授权频段。根据作者提出的方案，次用户根据它们自身的跳频序列在授权频段不断切换信道。特别地，当某个次用户源节点想要给某个次用户目的节点发送数据包时，该源节点根据目的节点的跳频序列改变自己的信道切换规则。只要目的节点的信道当前没有被主用户使用，源节点和目的节点就能够达成协商，并传输数据包。
在以前的对动态频谱接入算法的研究中，使用控制信道的算法通常都需要双天线，一个天线用来侦听控制信道，另一个用来侦听数据信道。而使用跳频法的动态频谱接入算法对硬件的要求比较高，同时具有很高的能耗，这两种方法都不适用于普通的单天线低功耗的无线传感器网络。因此，在低功耗的单天线无线传感器网络中实现简单高效可行的动态频谱接入算法，使之能够很好地接入频谱空洞，避免其他网络干扰，又具有很好的吞吐量时延性能，有着十分广阔的应用空间。发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法，针对目前无线设备在ISM频段的拥塞，同时频谱空洞不能得到有效利用以及低功耗的单天线无线传感器网络在ISM频段的共存问题，该方法能保障无线传感器网络节点充分利用频谱资源，有效地接入到频谱空洞并最大限度地避免外界干扰， 同时具有良好的吞吐量和时延性能，特别适用于低功耗的单天线无线传感器网络。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过网络中的源节点和目的节点在控制信道中通过交换控制包以协商确定数据信道，然后通过在数据信道进行数据通信后进行信道状态更新处理得以实现。
所述的网络由若干个节点、不受其它网络或用户干扰的一个公共的控制信道和若干个相互间等价且具有相同的带宽的数据信道组成。
所述的节点内设有定时器和存有可用信道列表以及包含各个数据信道的信道优先级权重的数据库。
所述的控制包包括RTS (请求发送)包、CTS (清除发送)包和BCTS (广播清除发送)包，其中
所述的RTS包内包含源节点的可用信道列表以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T11和占用数据信道的时间T21 ；
所述的CTS包内包含目的节点选定的数据信道号以及预估的需要占用控制信道的时间T12和占用数据信道的时间T22 ；
所述的BCTS包内包含目的节点选定的数据信道号，以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T13和占用数据信道的时间τ23。
所述的协商确定是指源节点通过CSMA/CA (载波侦听多点接入/冲突检测)机制竞争到控制信道之后向目的节点发送一个RTS包；当目的节点在收到RTS包之后，回给源节点一个CTS包；源节点在收到CTS包之后反馈给目的节点一个BCTS包并且网络中所有节点根据CTS包或BCTS包进行可用信道列表更新。
所述的CTS包内的目的节点选定的数据信道通过以下方式获得首先目的节点根据源节点的可用信道列表和目的节点本身的可用信道列表的交集作为可选的信道集，然后选取交集中对应源节点的信道优先级权重最大的信道作为选定的数据信道。
所述的信道优先级权重通过读取各个节点的数据库获得。
所述的可用信道列表更新是指当网络中的节点在控制信道上侦听到CTS包或 BCTS包后①根据T12或T13更新该节点本身的NAV (网络分配矢量)并标记控制信道在该对应的时间段内忙；
②根据T22或T23更新选定的数据信道对应的定时器，并标记该数据信道在该对应的时间段内不可用，继而更新该节点本身的可用信道列表。
所述的网络分配矢量是指用于指示控制信道忙闲状态的定时器。
所述的更新该节点本身的可用信道列表是指根据该节点的当前状态，以以下条件更新多维数组，该多维数组的维数等于数据信道的总数当该数据信道对应的定时器超时，则判定该数据信道可用，并标注其所对应的数组的元素为I;否则则标注为O。
所述的信道状态更新处理是指源节点和目的节点在通信结束后返回至控制信道，并更新各自对于对方节点的信道优先级权重。
所述的对于对方节点的信道优先级权重是指最近若干次与该对方节点在一数据信道上的通信结果的回报均值，具体为对于任一节点，在数据信道j上对于该节点的邻居节点i的优先级权重为-Aj，其中T为时间窗口长度，Ot为该节点最近第t次和
权利要求
1.一种基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征在于，通过网络中的源节点和目的节点在控制信道中通过交换控制包以协商确定数据信道，然后通过在数据信道进行数据通信后进行信道状态更新处理得以实现； 所述的控制包包括RTS包、CTS包和BCTS包，其中 所述的RTS包内包含源节点的可用信道列表以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T11和占用数据信道的时间T21 ； 所述的CTS包内包含目的节点选定的数据信道号以及预估的需要占用控制信道的时间T12和占用数据信道的时间T22 ； 所述的BCTS包内包含目的节点选定的数据信道号，以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T13和占用数据信道的时间T23。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的协商确定是指源节点通过CSMA/CA机制竞争到控制信道之后向目的节点发送一个RTS包；当目的节点在收到RTS包之后，回给源节点一个CTS包；源节点在收到CTS包之后反馈给目的节点一个BCTS包并且网络中所有节点根据CTS包或BCTS包进行可用信道列表更新。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的CTS包内的目的节点选定的数据信道通过以下方式获得首先目的节点根据源节点的可用信道列表和目的节点本身的可用信道列表的交集作为可选的信道集，然后选取交集中对应源节点的信道优先级权重最大的信道作为选定的数据信道。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的信道优先级权重通过读取各个节点的数据库获得。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的可用信道列表更新是指当网络中的节点在控制信道上侦听到CTS包或BCTS包后 ①根据T12或T13更新该节点本身的NAV(网络分配矢量)并分配控制信道在该对应的时间段内忙； ②根据T22或T23更新选定的数据信道对应的定时器，并标记该数据信道在该对应的时间段内不可用，继而更新该节点本身的可用信道列表。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的网络分配矢量是指用于指示控制信道忙闲状态的定时器。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的更新该节点本身的可用信道列表是指根据该节点的当前状态，以以下条件更新多维数组，该多维数组的维数等于数据信道的总数当该数据信道对应的定时器超时，则判定该数据信道可用，并标注其所对应的数组的元素为I ;否则则标注为O。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的信道状态更新处理是指源节点和目的节点在通信结束后返回至控制信道，并更新各自对于对方节点的信道优先级权重。
9.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的对于对方节点的信道优先级权重是指最近若干次与该对方节点在一数据信道上的通信结果的回报均值
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征是，所述的对于对方节点的信道优先级权重具体为对于任一节点，在数据信道j上对于该节点的邻居节点i的优先级权重为
全文摘要
一种无线传感器网络技术领域的基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法，通过网络中的源节点和目的节点在控制信道中通过交换控制包以协商确定数据信道，然后通过在数据信道进行数据通信后进行信道状态更新处理得以实现。本发明针对目前无线设备在ISM频段的拥塞，同时频谱空洞不能得到有效利用以及低功耗的单天线无线传感器网络在ISM频段的共存问题，能保障无线传感器网络节点充分利用频谱资源，有效地接入到频谱空洞并最大限度地避免外界干扰，同时具有良好的吞吐量和时延性能，特别适用于低功耗的单天线无线传感器网络。
文档编号H04W16/14GK103024748SQ20111028083
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者肖榕, 蒋铃鸽, 何晨, 田军, 吕超 申请人:上海交通大学, 富士通株式会社