基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其中，将节点的帧结构设计为分段结构，将节点的一个工作周期划分为信道感知和选择阶段、信道分配阶段、数据传输阶段以及休眠阶段。本发明在每个簇内为节点设计了一个媒介接入准则以提供簇内无竞争的通信，同时为缓解簇间通信的隐藏终端等问题，在此媒介接入准则上，设计了根据信道状态进行信道权重的赋值过程，并且为更好地减少能量消耗，还设计了一个信道选择准则。本发明方法可以在降低传输数据包能量的基础上实现更高的网络吞吐量，更低的时延和丢包率，适用于认知无线传感器网络中的频谱接入和频谱切换策略。
【专利说明】基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种无线传感器网络【技术领域】的方法，尤其是一种基于分簇的认知无线传感器网络中的MAC协议，具体涉及基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通/[目方法。
【背景技术】
[0002]由于无线传感器网络所工作在的频段是未授权频段，随着该频段越来越拥挤，认知无线电技术作为解决频谱资源受限的良好技术被引入到无线传感器网络中。结合传统无线传感器网络中节点能量有限性的特点，认知无线传感器网络(CRSN)中的能量有效性的MAC协议设计是一个重点研究方向。
[0003]现有技术中公开了0.Boyinbode, H.Le, A.Mbogho, M.Takizawa,和 R.Poliah 的文献 “A survey on clustering algorithms for wireless sensor networks (无线传感器网络中分族算法概论)”，Proc.13th Int Network-Based Information SystemsConf, 2010, pp.358 - 364，它对当前一些经典的无线传感器网络的分簇算法进行了分类总结和性能分析，详细介绍了 LEACH和HEED等经典的分簇算法。
[0004]现有技术中公开了D.Cavalcanti, S.Das, Jianfeng Wang 和 K.Challapali 的文献“Cognitive Radio based Wireless Sensor Networks (基于认知无线电的无线传感器网络)，，，ICCCN, 2008, pp.1-6.和 Ozgur B.Akan, Osman B.Karli,和 Ozgur Ergul 的文献 “Cognitive Radio Sensor Networks (认知无线电传感器网络)”，IEEE Network, July/August 2009，pp.34-40，介绍了 CRSN网络的设计观念和主要原则、网络的架构、潜在的优势以及技术上的问题和挑战。给出了 CRSN网络设计的研究框架。
[0005]CRSN网络中由于存在着主用户和次用户，在对CRSN网络的MAC协议设计中，一个关键的技术在于使得作为次用户的无线传感器网络节点在动态接入信道时对主用户产生最小干扰或无干扰。Shui G 和 Shen S 的文献 “A New Mult1-Channel MAC ProtocolCombined with On-Demand Routing for Wireless Mesh Networks (无线网状网络中一种新的结合按需路由的多信道MAC协议)”，CSSE，2008，pp.1-8,采用控制信道和数据信道分离的方法，通过对每个 节点配备两个天线，分别监控控制信道和数据信道的使用情况，使得次用户可以时时掌握主用户的状态，并能及时接入可用信道。在节点只配备有单天线的情况下，Su Hang和Zhang Xi 的文献“CREAM_MAC:An efficient Cognitive Radio-EnAbledMult1-Channel MAC Protocol for Wireless Networks (CREAM-MAC:无线网络中一种天线使能的高效的认知多信道嫩(:协议)”，1011(^2008，pp.1-8，中采用每个节点配备一个天线和多个检测主用户信道的传感器来避免次用户之间以及主用户和次用户的相互碰撞，从而更好地利用多信道进行通信。
[0006]现有技术中公开了C.Li, P.Wang, H.-H.Chen,和 M.Guizani 的文献“A clusterbased on-demand mult1-channel mac protocol for wireless multimedia sensornetworks(—种基于分簇的多信道按需无线多媒体传感器网络MAC协议)",Proc.1EEE Int.Conf.Communications ICC’ 08, 2008, pp.2371 - 2376，提出了一个基于分簇的按需要多信道WMSNs的MAC协议，它将整个节点的工作周期分为三个分段，使得节点支持能量有效性、高吞吐量和高可靠性的数据传输。
[0007]与传统的无线传感器网络MAC协议相比，目前有关CRSN的MAC协议相对要少得多。J.A.Han, W.S.Jeon,和 D.G.Jeong 的文献 “Energy-efficient channel managementscheme for cognitive radio sensor networks ( 一种认知无线电传感器网络能量有效性的信道管理机制)，，，IEEE Trans-actions on Vehicular Technology, vol.60, n0.4, pp.1905-1910，2011，对单个簇进行了分析，综合考虑能量有效性和主用户的影响，提出了一个新的信道分配方案，使得CRSN可以根据信道感知的不同的结果进行适当的工作模式的选择。
[0008]综上所述，目前大部分的MAC协议并不能很好的直接的应用到多跳CRSN中，原因是其中有的MAC协议要求节点具备多个天线，而由于低功耗的要求，无线传感器网络通常只允许节点配备单个天线；有的MAC协议则没有考虑到主用户的影响，不能直接应用到与主用户共存的网络；有的则只是对单个簇进行了信道分配管理方案的研究，不能应用到多跳的CRSN中。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有MAC协议应用到CRSN中存在的上述不足，充分考虑了网络内主用户和次用户的通信特征，在主用户存在的环境下，次用户可以有效地机会接入信道和有效地进行通信，同时缓解多跳多信道隐藏终端所带来的用户干扰，并尽量降低次用户的能量消耗。本发明能够使无线传感器节点在与主用户共存的网络中充分接入可用信道，在降低传输数据包能量的基础上实现更高的网络吞吐量，更低的时延和丢包率。
[0010]本发明的原理是:认知无线传感器网络中的问题包括了多信道隐藏终端问题和认知问题，这两个问题都是出在信道上，前者是两跳距离的节点选择了同一信道，后者是由于主用户的存在，不同的信道相对于次用户来说不再具有同样的使用概率。因而通过引入信道权重(Channel Weight)的概念，一方面有利于区分不同信道，另一方面也可以使节点选择“更好”的信道，即信道权重更大的信道。
[0011]根据本发明的一个方面，提供一种基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，将节点的帧结构设计为分段结构，将节点的一个工作周期(Interval)划分为信道感知和选择阶段(Channel Sense and Selection Phase, CSSP)、信道分配阶段(Channel Schedule Phase, CSP)、数据传输阶段(Data Transmission Phase, DTP)以及休眠阶段(Sleep Phase, SP)。
[0012]优选地，每个节点都拥有自己的信道权重列表，信道权重列表记载的信道权重反映出节点对于信道的使用状况；信道权重值的变化是由节点检测到信道的不同状态时发生的，相对于节点来说，信道有如下所示的几种状态:
[0013]-空闲(Idle):这种状态出现在信道感知阶段，即次用户感知到信道可用；
[0014]-忙碌(Busy):这种状态同样出现在信道感知阶段，即次用户感知到信道上主用户的存在，信道不可用；
[0015]-通信(Communication):这种状态出现在次用户在感知到信道可用，且正常使用了该信道进行了数据传输；[0016]-碰撞(Collision):这种状态会在两种情况下出现，第一种情况是次用户在数据传输阶段时其相邻簇内的节点也在使用这个信道，第二种情况是次用户在数据传输时主用户忽然到来，这两种情况都导致当前信道不可用。
[0017]优选地，根据信道处于的不同状态，信道的权重值w的具体变化也不相同，当信道空闲时，权重值增加Widle;当信道忙碌时，权重值降低Wbusy ;当信道通信时，权重值增加；当信道碰撞时，对应第一种和第二种情况，权重值分别降低\ec和wpH。
[0018]优选地，在信道感知和选择阶段完成信道感知和选择的过程，具体包含以下步骤:
[0019]步骤(101):在信道感知和选择阶段的时隙结构中，前一个通信时隙是簇头将自己所维护的信道权重列表发送给簇内其余成员以更新它们的信道权重列表，即此时是簇头作为发送方，非簇头成员作为接收方；后一通信时隙则是为信道联合感知所准备的，即簇内成员将自己所检测到的信道感知结果都传输给簇头，在簇头处在最终的信道感知结果进行联合处理；
[0020]步骤(102):CSSP阶段采用的是只感知N个信道中的一部分信道的方式，从而减少信道感知的数量，但又尽量保证能选择到最好的信道。具体地，从N个信道集合{chN}中选取一个信道子集作为为可感知信道集合(Polled-Channel Set) {S}，S中的信道数量为
|S| =K, (K〈N)，节点通过感知S中的信道来确定可用的信道。这次K个信道选取的方法可以通过枚举法或者动态规划等方法完成。
[0021]优选地，信道联合感知是采用数据融合的方式，具体地，在一个拥有M个成员的簇内，每个簇内节点所进行信道感知后得到的判断结果为Di,则最终的判定结果由采用的数据融合方式D=W (D1, D2,...Dm)来决定。
[0022]优选地，一般在次用户检测主用户时，使用的是信号电平来区分主用户的到来，故这里采用的数据融合方式Ψ是将检测到的M个结果求平均值，并与主用户的信号门限值Dthreshold相比较，确定信道是不是可用；簇头使用最终的判定结果完成下一个信道分配阶段(Channel Schedule Phase, CSP)。在一些已公开提出的方案中已经有较多如何进行预测主用户行为的机制，故这里假设主用户的到达概率模型是已知的。
[0023]优选地，在信道分配阶段，簇头得到了最终的可用信道列表(AvailableChannel, AvaC) {AvaC},簇头通过对{AvaC}的处理,对簇内每个节点进行信道分配，具体地，簇头将信道分配方案和数据传输时隙分配方案通知到簇内其余节点，其中，CSP阶段的时隙结构就是一个通信时隙，簇头是传输方，其余节点是接收方。
[0024]优选地，在信道分配阶段，簇头还要为簇内其余节点在数据传输阶段(DataTransmission Phase, DTP)分配好对应的长度为Tta时隙。
[0025]优选地，在数据传输阶段，簇内节点在相应的数据传输时隙进行数据通信。信道分配的目的是为了完成信道切换机制，当节点在当前所使用的信道中检测到主用户时，节点立即切换到另外的备用的信道上，其中，进行数据通信的传输方和接收方要相互了解对方切换后的信道。
[0026]本发明首先是在每个簇内为节点设计了一个媒介接入准则以提供簇内无竞争的通信，此媒介接入准则是针对多跳多信道无线传感器中所存在的一些问题而设计的，用以缓解隐藏终端等问题。同时，为更好地减少能量消耗，还设计了一个信道选择准则。此信道选择准则是针对这样的一种情况:在CRSN节点可以在主用户存在的情况下进行感知可用信道的条件下，当CRSN节点需要感知的信道数目越多时，其所需要的开销越大，以导致消耗的能量越多。此信道选择准则就是在CRSN节点可以获得一些先验知识的条件下，使CRSN节点可以只需要进行更少数量的信道感知过程而获得可用信道，并尽量保证所获得的结果和感知全部信道接近，同时达到低能量消耗率的目的。本发明方法可以在降低传输数据包能量的基础上实现更高的网络吞吐量，更低的时延和丢包率，适用于认知无线传感器网络中的频谱接入和频谱切换策略。
【专利附图】
【附图说明】:
[0027]图1为本发明中节点的帧结构图。
[0028]图2为本发明中CSSP的时隙结构图。
[0029]图3为本发明中CSP和DTP阶段的时隙结构图。
[0030]图4为本发明中信道分配方案图表示例图。
[0031]图5为本发明所提供方案及对比方案吞吐量随数据到达速率的变化比较图。
[0032]图6为本发明所提供方案及对比方案丢包率随数据到达速率的变化比较图。
[0033]图7为本发明所提供方案及对比方案平均时延随数据到达速率的变化比较图。
[0034]图8为本发明所提供方案及对比方案成功传输一个数据包的平均能耗随数据到达速率的变化比较图。
[0035]图9为本发明所提供方案及对比方案成功传输一个数据包的平均能耗随数据到达速率的变化比较图。
【具体实施方式】:
[0036]以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0037]在本发明的一个实施例中，每个节点都拥有自己的信道权重列表，信道权重反映出节点对于信道的使用状况，因而如何定义信道权重值的维护是一个很重要的问题。信道权重值的变化是由节点检测到信道的不同状态时发生的，相对于节点来说，信道有如下所示的几种状态:
[0038]I)空闲(Idle):这种状态出现在信道感知阶段，即次用户感知到信道可用；
[0039]2)忙碌(Busy):这种状态同样出现在信道感知阶段，即次用户感知到信道上主用户的存在，信道不可用；
[0040]3)通信(Communication):这种状态出现在次用户在感知到信道可用，且正常使用了该信道进行了数据传输；
[0041]4)碰撞(Collision):这种状态会在两种情况下出现，一是次用户在数据传输阶段时其相邻簇内的节点也在使用这个信道，另一就是次用户在数据传输时主用户忽然到来，这两种情况都会导致当前信道不可用。
[0042]根据信道处于的不同状态，信道的权重值w的具体变化也不相同，当信道空闲时，权重值增加Widle;当信道忙碌时，权重值降低Wbusy ;当信道通信时，权重值增加W。》;当信道碰撞时，对应两种情况，权重值分别降低Wsec和。
[0043]将节点的帧结构设计为分段结构，将节点的一个工作周期(Interval)划分为信道感知和选择阶段(Channel Sense and Selection Phase, CSSP)、信道分配阶段(ChannelSchedule Phase, CSP)、数据传输阶段(Data Transmission Phase, DTP)以及休眠阶段(Sleep Phase, SP)。各个阶段完成如下功能:
[0044]CSSP阶段:在CSSP时隙结构中，前一个通信时隙是簇头将自己所维护的信道权重列表发送给簇内其余成员以更新它们的信道权重列表，即此时是簇头作为发送方，非簇头成员作为接收方；后一通信时隙则是为信道联合感知所准备的，即簇内成员将自己所检测到的信道感知结果都传输给簇头，在簇头处在最终的信道感知结果进行联合处理。信道联合感知是采用数据融合的方式，如在一个拥有M个成员的簇内，每个簇内节点所进行信道感知后得到的判断结果为Di,则最终的判定结果由采用的数据融合方式?=Ψ (D1, D2,...Dm)来决定，一般在次用户检测主用户时，使用的是信号电平来区分主用户的到来，故这里采用的数据融合方式Ψ是将检测到的M个结果求平均值，并与主用户的信号门限值0__。1(1相比较，确定信道是不是可用。簇头使用最终的判定结果完成下一个信道分配阶段(ChannelSchedule Phase，CSP)。在一些已公开提出的方案中已经有较多如何进行预测主用户行为的机制，故这里假设主用户的到达概率模型是已知的。
[0045]合理的信道感知和选择过程应当是与节点的休眠唤醒机制相结合(Joint DCSand Sleep-Wake Strategy),达到既能选择到最好的可用信道，同时又尽量减小能量消耗的目的。这里采用的是只感知N个信道中的一部分信道的方式，从而减少信道感知的数量，但又尽量保证能选择到最好的信道。从N个信道集合{chN}中选取一个信道子集作为可感知信道集合(Polled-Channel Set) {S}，S中信道数量| S =K, (K〈N)，节点通过感知S中的信道来确定可用的信道。一个信道是否属于S是由信道上的主用户模型和信道权重值所决定的，具体实现过程如下:
[0046]设节点所维护的N个信道集合列表为(ChilWi), i=l,2,...N，其中Wi为信道Chi的所对应的权重值，节点处的信道集合列表已经是按照信道权重值由大到小排序过。假设任一信道Chi上的主用户到达服从独立同分布的参数为Ai的泊松分布，则在信道感知部分，在任一信道感知时隙所`进行的信道感知结果得到该信道可用的概率为=
其中Tp为单个信道感知时隙的长度。将此概率加入到节点所维护的信道列表中，则得(Chi, Wi, Pi)，i=l, 2，...N，在经过一个完整的信道感知过程后，得到有k个信道是可用(Available Channel, AvaC)的概率为
[0047]PiAvaC= k) ^ C1x["[ (1 —养)
/=}
//g{cV/A1
[0048]令K为可用信道(Available Channel, AvaC)数目的期望值，贝丨J有，
k=Nk二 Nj=k
[0049]K 二U-PKAvad = K \\ρ/ \\(\-/?.)
1-二 I^=IJ==I
Ii^\chN\
[0050]用{S}代替{chN}的合理性的一个前提在于，节点在{chN}中感知到的可用信道可以仅通过感知{S}就得到。这样，相比于原来需要对信道集合{chN}进行感知的过程，可以用对可感知信道集合(Polled-Channel Set) {S}进行感知，后者比前者减少了 N-K个信道感知时隙，从而降低了节点的唤醒时期，降低了能量消耗。为保证{S}具有上述的性质，需要{S}具有特定的性质。为求得满足这样条件的{S}，这里引入下述模型进行{S}的求解。
[0051]设K个信道组成的信道感知策略集合为，
[0052]
【权利要求】
1.一种基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，将节点的帧结构设计为分段结构，将节点的一个工作周期划分为信道感知和选择阶段、信道分配阶段、数据传输阶段、以及休眠阶段。
2.根据权利要求1所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，每个节点都拥有自己的信道权重列表，信道权重列表记载的信道权重反映出节点对于信道的使用状况；信道权重值的变化是由节点检测到信道的不同状态时发生的，相对于节点来说，信道有如下所示的几种状态: -空闲:这种状态出现在信道感知阶段，即次用户感知到信道可用； -忙碌:这种状态同样出现在信道感知阶段，即次用户感知到信道上主用户的存在，信道不可用； -通信:这种状态出现在次用户在感知到信道可用，且正常使用了该信道进行了数据传输； -碰撞:这种状态会在两种情况下出现，第一种情况是次用户在数据传输阶段时其相邻簇内的节点也在使用这个信道，第二种情况是次用户在数据传输时主用户忽然到来，这两种情况都导致当前信道不可用。
3.根据权利要求2所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，根据信道处于的不同状态，信道的权重值w的具体变化也不相同，当信道空闲时，权重值增加Widle ；当信道忙碌时，权重值降低Wbusy ;当信道通信时，权重值增加W。》；当信道碰撞时，对应第一种和第二种情况，权重值分别降低\ec和Wltti。
4.根据权利要求2所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，在信道感知和选择 阶段完成信道感知和选择的过程，具体包含以下步骤: 步骤(101):在信道感知和选择阶段的时隙结构中，前一个通信时隙是簇头将自己所维护的信道权重列表发送给簇内其余成员以更新它们的信道权重列表，即此时是簇头作为发送方，非簇头成员作为接收方；后一通信时隙则是为信道联合感知所准备的，即簇内成员将自己所检测到的信道感知结果都传输给簇头，在簇头处在最终的信道感知结果进行联合处理； 步骤(102):只感知N个信道中的一部分信道，具体地，从N个信道集合{chN}中选取一个信道子集作为为可感知信道集合{S}，S中的信道数量为I |S| =K, (K〈N)，节点通过感知S中的信道来确定可用的信道。
5.根据权利要求4所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，信道联合感知是采用数据融合的方式，具体地，在一个拥有M个成员的簇内，每个簇内节点所进行信道感知后得到的判断结果为Di,则最终的判定结果由采用的数据融合方?ζ ?=Ψ (D1, D2,...Dm)来决定。
6.根据权利要求5所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，数据融合方式Ψ是将检测到的M个结果求平均值，并与主用户的信号门限值Dthrestold相比较，确定信道是不是可用；簇头使用最终的判定结果完成下一个信道分配阶段
7.根据权利要求2所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，在信道分配阶段，簇头得到了最终的可用信道列表{AvaC}，簇头通过对{AvaC}的处理，对簇内每个节点进行信道分配，具体地，簇头将信道分配方案和数据传输时隙分配方案通知到簇内其余节点，其中，CSP阶段的时隙结构就是一个通信时隙，簇头是传输方，其余节点是接收方。
8.根据权利要求2所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，在信道分配阶段，簇头还要为簇内其余节点在数据传输阶段分配好对应的长度为Ite时隙。
9.根据权利要求1所述的基于分簇的多跳多信道认知无线传感网络的通信方法，其特征在于，在数据传输阶段，簇内节点在相应的数据传输时隙进行数据通信，当节点在当前所使用的信道中检测到主用户时，节点立即切换到另外的备用的信道上，其中，进行数据通信的传输方和接收方要相互了解对方切换后的信道。
【文档编号】H04W72/04GK103634913SQ201210301445
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月22日 优先权日:2012年8月22日
【发明者】徐彦超, 何晨, 蒋铃鸽, 田军 申请人:上海交通大学, 富士通株式会社