时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于频谱接入技术领域，更具体设及一种时空域复用的农田无线传感器网 络频谱交错接入方法。
【背景技术】
[0002] 农田无线传感器网络是精准农业中对农田环境进行监测与控制的关键技术之一。 针对大规模农田无线传感器网络的特点，感知节点如何高效地进行网络接入与数据传输是 影响系统性能的关键与研究的重点。对于农田无线传感器网络而言，网络规模大与节点密 度高并存，由于无线通信在某一既定范围内仅有唯一的共有无线信道，所W在组网过程中 若大量网络节点同时进行网络接入，信道冲突会十分激烈。
[0003] 目前的频谱分配方法主要是基于固定分配方式，即某一无线频谱块分配给某一特 定的无线接入网络，然后再把运个无线频谱块分为若干个频谱子块，彼此之间间隔一个固 定大小的保护频段。运种固定频谱分配的方式虽然对于频谱管理非常简单，但而研究表明， 有相当一部分频谱在时间上和空间上并未得到充分利用，传统的固定频谱分配方法降低了 频谱利用率。
[0004] 针对频谱资源不够用W及固定频谱分配方式存在的频谱浪费的问题，学者对动态 频谱接入进行了研究。动态频谱接入方法是主要是在CSMA/CA的基础上，采用动态频谱接 入的方式进行冲突消减W取代在单纯时间上的回退。CSMA/CA实际上就是在发送数据帖之 前利用RTS、CTS控制帖先对信道进行预约，虽然控制帖的长度很短，需要节点在主信道进 行统一帖听和竞争，节点根据主信道的占用侦测情况判断是否进行频带切换。对于无线传 感器网络而言，大量节点长时间侦听信道造成大量能量浪费。
[0005] 现有技术中的动态频谱接入方法主要针对通用无线通信领域，如蜂窝通信等，没 有考虑到无线传感器网络超高节点密度的特点。现有技术中的动态频谱接入重点研究改进 的是信道利用率，而未将设备或节点的能耗作为优化指标进行考量。其中，所采用的侦听等 待机制需要大量节点长时间侦听信道，能耗效率低，不适合于能量受限的农田无线传感器 网络应用场景。
【发明内容】
[0006] (一）要解决的技术问题
[0007] 本发明要解决的技术问题是如何在农田无线传感器接入的过程中，充分利用频谱 资源、保证网络性能的同时，减少信道侦听与能量消耗。
[000引（二）技术方案
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱 交错接入方法，所述方法包括W下步骤：
[0010] S1、成簇首轮，节点按预定的时间唤醒，并接入对应的簇，之后进行数据上传；
[0011] S2、对于每一个簇，所述簇头根据其接收到的各个节点的数据，确定其与该簇内各 节点的距离，将该簇内的节点分为主要用户和次要用户；
[0012]S3、对于每一个簇，活动时段包括竞争接入时段W及补充传输时段；所述簇头根据 所述簇头与该簇内各节点的距离，在所述竞争接入时段内，按照从远至近或从近至远的顺 序依次为该簇内的每一个节点分配上传数据时间片；
[0013]S4、对于簇内每一个节点，在完成向簇头的数据上报后，接收对应簇头广播的上传 数据时间片分配信息，之后转入休眠状态；
[0014]S5、所述成簇首轮之后的其他数据上传轮次，对于簇内每一个节点，在为其分配的 上传数据时间片内，该节点唤醒，扫描预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据 上传，上传完毕后进入休眠状态，若所述预设信道被占用，则转入步骤S6;
[0015]S6、该节点选择其他信道中被占用概率最小的信道作为所述预设信道，并转入步 骤S5;
[0016]S7、所述步骤S5中，在该节点行数据上传时，若出现冲突，则判断该节点是否为主 要用户，若该节点是主要用户，则该节点重新传输冲突数据，若重新上数据数时再次出现冲 突，则转入所述步骤S6;若该节点是次要用户，则该节点放弃数据上传，进入休眠状态，并 在所述补充传输时段内进行数据上传。
[0017] 优选地，所述步骤Sl中，节点接入对应的簇之前，所述方法还包括W下步骤：
[0018] 1个或多个簇头分别在预定成簇半径内广播成簇信息，接收到所述成簇信息的节 点感知所述成簇信息的信号强度，并调整自身发射功率，使对应的簇头在该节点的通信半 径内的边缘；之后该节点反馈请求接入信息；对应的簇头接收所述请求接入信息，并根据 所述请求接入信息的信号强度调整自身发射功率，使所述节点在对应簇头的通信半径的内 边缘，实现该节点的接入。
[0019] 优选地，所述步骤S2中，若节点与对应簇头的距离小于对应的所述预定成簇半径 的一半时，则该节点为次要用户；若节点与对应的簇头的距离大于或等于对应的所述预定 成簇半径的一半时，则该节点为主要用户。
[0020] 优选地，所述步骤Sl中，在成簇过程中，若一个簇头接收到其他簇头的成簇信息 时，则当前簇头进行频谱感知，寻找并转移到空闲信道成簇。
[0021] 优选地，所述步骤S3中，所述簇头在每个所述上传数据时间片之后设置了一个保 护时间片。
[0022] 优选地，所述步骤S5中，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传之前，所述 方法还包括W下步骤：
[0023] 该节点按照概率P直接进行数据上传，并在概率I-P下，该节点W二进制指数回退 方式进行延时，并在下一个时槽再次扫描所述预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点直 接进行数据上传，若所述预设信道被占用，则转入所述步骤S6;其中该节点对应的上传数 据时间片包括多个时槽。
[0024] 优选地，所述步骤S6中，利用下面的公式计算信道被占用的概率：
[00巧]Pf=argmaxf(P)
[002引式中，Pr表示第r条信道被占用的概率；argmax表示极大似然估计；
[0028] 式中，e表示该节点在其对应的上传数据时间片内进行通信的时间的倒数、a表 示该节点在其对应的上传数据时间片内等待的时间的倒数；化[i，r]表示该节点在第r条 信道上的累计冲突次数；化[j，r]表示该节点所属簇的簇头在第r条信道上的累计冲突次 数；i为该节点的编号；j为该节点所属簇的簇头的编号。
[0029]优选地，所述步骤S7中进一步包括W下步骤用于实现在所述补充传输时段内上 传数据：
[0030]所述补充传输时段开始时，所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的 次要用户唤醒，对应簇的簇头为该簇内所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态 的次要用户分配再次上传时间片，并广播所述再次上传时间片的分配信息；
[0031]所述次要用户接收簇头广播的再次上传时间片的分配信息，之后进入休眠状态， 并在为其分配的所述再次上传时间片内进行数据上传，其余时间所述次要用户保持在休眠 状态。
[003引优选地，所述簇头根据各个次要用户的剩余能量，按照从低到高的顺序依次为各 个次要用户分配再次上传时间片。
[0033]优选地，每个所述节点均存储为其分配的上传数据时间片、与对应簇头的距离、用 户类型、所属簇头的编号、上一次的通信信道、自身的编号W及在各信道的冲突累计次数；
[0034]每一个所述簇头均存储其所属簇的簇内节点个数、其与对应簇内各个节点的距 离、其通信功率、其所属簇的簇内各个节点的剩余能量W及其所属簇的簇内各个节点自身 所存储的信息。
[003引 （S)有益效果
[0036]本发明提供了一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，本发明 在簇中为每一个无线传感器，即节点分配上传数据时间片，节点在其对应的时间片内上传 数据，其他时间处于休眠状态，降低了簇内信道竞争，充分利用了频谱资源，大大降低了功 耗。另外，对于每一个簇，其簇头根据簇头与该簇内各节点的距离，按照占用空域变化趋势 不同进行差异化的节点时间片分配，最大程度上进行空间复用，从而大大降低邻近簇之间 的相互干扰，同时充分利用了频谱资源。同时本发明的方法针对数据上传过程中遇到冲突 的问题设计了信道频谱转换接入方法，减少信道竞争与等待时间，提高了网络通讯的能量 利用效率，在延长网络生命周期的同时保证了数据上传的准确、高效和完整。
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W 根据运些附图获得其他的附图。
[0038] 图1为本发明的一个较佳实施例的时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错 接入方法流程图；
[0039] 图2为本发明中簇的结构示意图；
[0040] 图3曰、3b为本发明中簇间干扰示意图；
[0041] 图4为本发明中信道示意图；
[0042] 图5为本发明的另一