一种CRSNs中基于认知与源感知节点分离的媒体访问控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于无线传感网络技术领域，涉及一种CRSNs中基于认知与源感知节点分 离的媒体访问控制方法。
【背景技术】
[0002] 21世纪以来，无线通信技术、微芯片制造等技术的进步促进了 WSN的大规模部署应 用与发展。然而，工作在免授权工业、科学、医学频段（Industrial Scientific Medical， ISM)的WSN与其它无线通信技术(如Wifi、蓝牙、Wimax、Zigbee等)共用频谱，导致各种无线 设备间的干扰日益严重，进而影响了 WSN的服务质量及其继续发展。
[0003] 由于认知无线电（cognitive radio,CR)能够动态地改变其操作参数、感知频谱、 确定空闲频带，并伺机使用这些可用频带。为此，一些研究人员提出将CR技术引入WSN，使得 每一个传感器节点都具有频谱感知、动态改变发射参数的功能，构成认知无线传感器网络 (cognitive radio sensor network，CRSN)，通过认知功能动态地感知频谱空洞并伺机接 入以在授权频段工作，从而提高整体频谱利用率。
[0004] 与传统WSN相比，CRSN在动态频谱接入、并发数据的伺机信道使用、适应性地降低 能耗、多个异构WSN的重叠部署、不同频谱管理政策下工作方面拥有巨大的优势，具有重大 应用价值和远大的发展前景，也被认为是下一代WSN。
[0005] MAC(medium access control)媒体访问控制协议通过协调控制节点接入频谱的 方式，为WSN提供了一种在能量有效的前提下尽可能增加吞吐量、降低干扰的方法，故而设 计一种有效的MAC协议将对网络性能产生重要影响。WSN的MAC协议主要用于协调接入频谱 时减少干扰以及数据包碰撞。在设计MAC协议时需考虑WSN自身的特点如节点分散部署、非 集中控制、不稳定的链路、无规律的数据包到达以及网络长期运行等。
[0006] 在设计CRSN中的MAC的关键问题包括:①在主用户存在的情况下，有效地控制和调 度网络中的节点合理地使用空闲频段，使传感器节点在不影响主用户通信的情况下伺机的 利用多信道进行数据传输;②在传感器节点处理能力及能源有限的前提下尽可能的降低协 议工作机制的复杂性，以使传感器节点在频谱认知功能的辅助下能有效地工作;③以及在 兼顾上述问题的同时尽可能的减少节点能耗，同时在节点能耗与其他网络性能之间例如吞 吐量和时延等取得平衡。
[0007] 现有的CRSN中的MAC协议可分为基于分簇网络的MAC协议和基于分布式的MAC协议 两类。首先，基于分簇的MAC协议是将CRSN中的节点按照一定的算法分为若干个簇，每个簇 中有一个族头节点（cluster head，CH)和若干个成员节点（cluster member，CM)，CH节点完 成簇内调度工作，包括簇内CM节点睡眠-唤醒调度、信道分配、接收并融合CM节点汇总的数 据以及数据转发等。基于分簇的MAC协议便是通过CH节点为CM节点分配空闲频谱来完成网 络的工作调度，并结合载波监听多址接入、时分复用等技术完成节点间通信。在基于分布式 的MAC协议中，网络中的节点工作并未受到统一调度，节点间的通信由发送节点和接收节点 协作完成，每一对发送节点和接收节点之间独立的进行控制包和数据包的传输。
[0008] 现有的CRSN中基于分簇网络的MAC协议，其主要缺点在于网络的分簇算法还采用 WSN网络中的一些传统的分簇方法，并未验证这些算法在CRSN中的适用性，例如在CRSN中， 每一个节点都具备频谱认知功能，同时也引入了空闲频谱协商过程，各节点的信息处理能 力和能量消耗都有了显著提高，传统的分簇方法显然无法直接适用于CRSN，进而在分簇网 络中的MAC协议设计也难以保证可靠性。
[0009] 与传统WSN相比，CRSN中的传感器节点额外增加了频谱感知、频谱切换等功能，极 大消耗了传感器节点本已受限的能量和处理能力；另外，CRSN传感器节点处理能力有限，常 常需要多个传感器节点进行协作频谱感知然后通过协调器融合判决，他们之间感知信息的 相互交流也导致了大量的能耗。这些由认知功能带来的额外的能耗和处理要求与传感器节 点固有的资源约束产生了巨大的矛盾，极大地增加了功率高效的认知传感器节点的设计难 度。如果不加以解决，将极大地缩短了CRSN生存时间，阻碍CRSN发展与应用。
[0010] CR接收机的生产成本取决于频谱感知所采用技术，技术越复杂越昂贵，精确度也 高。就以最简单的基于能量探测的频谱感知技术为例，它的生产成本也要远高于只能进行 简单处理的廉价传感器节点，因而其生产成本也高于传感器节点。在每个传感器节点上都 装载一个CR接收机(大规模部署），显而易见极大地增加了网络的生产成本，进而增加了低 成本认知传感器节点的设计难度。如果CRSN高成本部署问题不加以解决，那么定位于低成 本、低功耗的CRSN就失去了存在的价值和市场应用前景。
【发明内容】
[0011] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种CRSNs中基于认知与源感知节点分离的媒 体访问控制方法，具体包括以下技术方案：
[0012] -种CRSNs中基于认知与源感知节点分离的媒体访问控制方法，在本方法中：首先 将CRSN节点的认知功能独立成另外的节点，即形成两种类型的节点共存于同一WSN中的网 络，即异质节点的CRSN网络;在该网络中，认知节点负责频谱感知，传感器节点负责对周边 环境进行探测收集数据;每次传感器节点需要传输数据，需要认知节点探测到空闲频谱后 通知传感器节点，然后传感器节点使用分配的频谱进行发送数据，即传感器节点应该也需 要有动态改变发射参数的功能;在此基础上，设计并采用适应该种新型网络的MAC协议，进 行媒体访问控制。
[0013] 进一步，在本方法中，所述的建立异质节点的CRSN网络具体包括：
[0014]该网络中存在主用户(Primary User，PU)，对频谱具有优先使用权，在网络中部署 两类节点：即M个认知节点（cognitive nodes，CNs)与N个传感器节点（sensor nodes，SNs)， 为网络中的次用户（Se condary Us er，SU);认知节点与传感器节点的个数按I: η的比例部 署，η为正整数；
[0015] 在主用户空闲时次用户通过频谱感知检测到空闲频段并伺机使用这些频谱进行 数据传输;假设在网络中存在一条公共控制信道，该信道无主用户存在，次级用户通过分段 ALOHA系统接入公共控制信道协商使用空闲的数据信道;次级用户即M个认知节点与N个传 感器节点部署在Am2的区域中，各个节点传输半径为r米，节点配备一个收发器，在同一时刻 只能发送或接收数据;CN在C条数据信道中伺机选择传输数据需要占用的信道;同时网络中 存在P个主用户，对信道的占用率为Ρτκ，在信道上的活动时间为Tcin，非活动时间为Ttlff;假设 认知节点以能量检测的方法感知频谱，信道探测准确率为Pd，误报率为Pf;
[0016]无线电能量耗散模型如下，在距离d发送k比特数据消耗的能量为：
[0018] 式中Eelec是发射或接受每比特信息所消耗的能量，放大器能耗Efs与Emp均为固定 值，do为距离常量;接受k比特消息的能耗为：
[0019] ERx(k) =kEeiec (2)。
[0020]进一步，本方法中，采用的适应于该CRSN网络中异质节点分离的MAC协议具体包 括：
[0021]假定事先根据认知节点和传感器节点的初始能量及其能量消耗速率确定好认知 节点和传感器节点的比例，并且均匀部署；
[0022]在网络初始化阶段，CNs与SNs按照1: n (n = 1，2，3…）的比例部署在感知域后，调度 节点（sink)向网络中的CNs广播自己的位置信息，各CN在数据转发阶段根据sink的位置信 息依据最短路径的原则选择转发数据路径;各个CN通过发送和接收地理位置信息包寻找及 确定自己的邻居CN，邻居节点个数记为n cn;同时各CN寻找自己周围的SNs，选取离自己最近 的η个SN成为一个组，该CN将为其组内SNs感知并分配空闲频谱，组内SNs向其对应的CN发送 数据；
[0023]因为各组内不同的SN到CN的距离不同，为平衡各SN节点的能耗，各组内取SN距离 CN的最大值，作为组内SN节点汇总数据时的传输距离，以使各SN节点同时耗尽能量，达到网 络节点能耗平衡；
[0024] 网络初始化完成后，两类节点之间的工作必须协调完成，这些工作包括组内节点 间工作协议以及组间的数据转发两个阶段，其中组内节点间工作协议在各个CN与SN构成的 组内进行，包括频谱感知、频谱协商、分配信道及接受数据;数据转发在组间通过CN节点之 间完成。
[0025] 进一步，在所述MAC协议中，组内频谱感知及数据汇总过程如下：
[0026] I) CN通知组内SN唤醒工作；
[0027] 2)CN开始感知空闲频谱，SN进行源感知（即对周边环境进行探测），持续时间为 Tsense ；
[0028] 3)CN感知到空闲频段后在公共控制信道发送广播包，把要占用的信道信息与其他 CN进行交互，使不同的组占用不同的数据信道或分时段占用同一条空闲信道，避免传输碰 撞，持续时间为Tn;
[0029] 4)未感知到空闲频段或未占用到空闲频段的CN，等待一段时间后继续进行空闲频 谱探测，然后占用空闲信道传输数据