认知无线传感器网络中基于网络特性的单天线MAC传输方法

摘要

一种无线通信技术领域的认知无线传感器网络中基于网络特性的单天线MAC传输方法，通过对CRSN的控制信道上的所有用户的无线传感器节点进行使用权限竞争处理，获得待使用数据信道；然后将待发送数据包通过待使用数据信道按数据传输单元进行逐个数据传输；最后待发送数据包的发送端和接收端的无线传感器节点启动内置数据信道定时器并返回第一步重新发送剩余数据包，直至全部发送完成。本发明能够使无线传感器节点在与主用户共存的网络中，实现吞吐量和平均传输时延方面的性能提升。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种认知无线传感器网络中基于网 络特性的单天线MAC传输方法。

背景技术

由于无线传感器网络所工作在的频段是未授权频段，目前越来越多的无线通信技术共享此 频段，造成该频段越来越拥挤。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。认知无线传感器网络(CRSN)开始得到深入的研究，其中CRSN中的MAC 协议设计是一个重点研究方向。

现有技术中公开了D.Cavalcanti，S.Das，Jianfeng Wang and K.Challapali的文献 “Cognitive Radio based Wireless Sensor Networks(基于认知无线电技术的无线传感器网络)”， ICCCN，2008，pp.1-6和Ozgur B.Akan，Osman B.Karli，and Ozgur Ergul的文献“Cognitive  Radio Sensor Networks(认知无线传感网)”，IEEE Network，July/August 2009，pp.34-40， 它们都讲述了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。

在对CRSN网络的MAC协议设计中，最关键的技术在于使得作为次用户的无线传感器网 络节点在对主用户最小干扰或无干扰情况下接入可用信道完成通信。Shui G and Shen S的文献 “A New Multi-Channel MAC Protocol Combined 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，及时地掌握控制信道和 数据信道的使用情况，之后做出机会接入，完成数据传输。

现有技术中公开了Su Hang and Zhang Xi的文献“CREAM-MAC：An efficient Cognitive  Radio-EnAbled Multi-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MAC协议)”，WOWMOM，2008，pp.1-8，它采用每个 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。

Jungmin So and Vaidya H的文献“Multi-channel mac for ad hoc networks：handling  multi-channel hidden terminals using a single transceiver(自组织网络中的多信道MAC：使用 一个单天线解决多信道隐藏终端问题)”，ACM，2004.222-233，采用了单天线的结构对多 信道加以利用，并且很好地解决了多信道隐藏终端问题。但是它并没有对主用户加以考虑，而 且需要严格的时钟同步。

Zhong Zhou，Zheng Peng，Jun-Hong Cui，Zaihan Jiang的文献“Handling Triple Hidden  Terminal Problems for Multi-Channel MAC in Long-Delay Underwater Sensor Networks(解决 水下长时延无线传感器网络中三种隐藏终端问题的多信道MAC协议)”， INFOCOM，2010，PP.1-5，本文同样使用具有单天线的节点来，通过一种联合检测的方法来克服 三种不同的隐藏终端问题，避免了次用户之间的碰撞，对多信道实现了合理地接入。

综上所述，目前大部分的认知MAC协议并不能很好的直接的应用到CRSN中，主要原因 是其中一些MAC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；同时，目前的多信道MAC协议很少考虑主用户的影响，因此不能直接应 用到与主用户共存的网络。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种认知无线传感器网络中基于网络特性的单 天线MAC传输方法，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，使得无线传感器网络节点在对主用户不造成影响或者影响较小 的情况下，实现对空闲信道的机会接入，并在单天线的条件下克服多信道隐藏终端问题和“盲” 状态问题。本发明能够使无线传感器节点在与主用户共存的网络中，实现吞吐量和平均传输时 延方面的性能提升。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、当存在数据包待发送时，对CRSN的控制信道上的所有用户的无线传感器节点进 行使用权限竞争处理，获得待使用数据信道；

所述的无线传感器节点内设有可用信道列表、退避定时器和数据信道定时器，其中：可用 信道列表是指每个无线传感器节点维护一个存储数据信道信息的表格，该表格内的信息包括信 道号和信道被占用时间；所述的退避定时器是用于每个无线传感器节点在发送数据包之前随机 等待的定时设置；所述的数据信道定时器用于可用信道列表中的记录数据信道被占用时间的定 时设置。

所述的权限竞争处理是指：首先对待发送数据包切分后得到发送长度和若干相同大小的数 据传输单元，并对数据传输单元进行退避处理并启动退避定时器，然后进行超时判断并确定待 使用数据信道。

所述的切分是指：将待发送数据包以数据传输单元为单位进行分割，当分割过程中出现剩 余待发送数据包不足一个数据传输单元的长度的数据部分时则按照一个数据传输单元来处理。 所述的数据传输单元的长度为T_u，T_u等于控制信道上优先权最高的用户，即主用户的最 大干扰容忍时间，即

所述的退避处理是指：对每个待发送时隙依次检测：

a)检测该时隙内控制信道是否处于空闲状态；

b)可用信道列表中是否有可用信道，即是否存在信道号对应的信道被占用时间为零；

c)可用信道的最大信道占用时间小于等于发送长度；

当上述条件全部满足时设置退避定时器减1；否则冻结退避定时器并重新进行退避处理。

所述的最大信道占用时间T_cmax是指：无线传感器节点切换到指定的数据信道进行数据传输 时，该数据信道允许该无线传感器节点在本次接入中占用信道的最长时间，其长度T_cmax是由主 用户对数据信道的利用率决定：

$T_{c\max }=\left(\begin{array}{cc}1\times (T_U+T_C)& U>0.5\\ 2\times (T_U+T_C)& 0.2<U\le 0.5\\ 3\times (T_U+T_C)& 0<U\le 0.2\end{array}\right),$

其中：U代表主用户对数据信道的利用率，T_c表示用于信道检测的时间，T_u为数据传输 单元的长度。

所述的超时判断是指：退避定时器中的时间超过了该无线传感器节点在发送数据包之前进 行退避过程而设置的随机等待时间值，则判断发生超时，且发送方和接收方在控制信道上通过 RTS/CTS/CCTS协商确定一个待使用数据信道，优先选择可用信道列表中最大信道占用时间 T_cmax支持或长度小于发送长度的信道作为待使用数据信道；

否则则重新进行退避处理。

所述的RTS/CTS/CCTS协商是指：发送方首先发出一个RTS数据包，RTS内包含发送方 节点记录的可用信道信息，收到RTS后，接收节点根据RTS提供的可用信道信息，再结合自 身维护的可用信道列表中的信息综合选取一个可用的数据信道，并将此消息通过CCTS数据包 回应给发送方，最后发送方在将此次信道选择信息通过CCTS数据包告知给其周围的邻居节点。

第二步、待发送数据包通过待使用数据信道按数据传输单元进行逐个数据传输，具体步骤 为：在传输每个数据传输单元前先进行信道检测，即侦听数据信道上是否存在主用户：当存在 主用户时则待发送数据包的发送端和接收端的无线传感器节点立即切换至控制信道并执行第 三步，否则则开始该数据传输单元的通信传输。

第三步、待发送数据包的发送端和接收端的无线传感器节点启动内置数据信道定时器并返 回第一步重新发送剩余数据包，直至全部发送完成。

所述的启动内置数据信道定时器是指：所述无线传感器节点启动上述步骤中，除待使用数 据信道以外的其他数据信道的数据信道定时器，并设置定时长度为该数据信道的最大信道占用 时间T_cmax。

本发明能够使作为次用户的无线传感器节点在不对主用户造成严重干扰的条件下，合理的 接入并利用空闲的数据信道进行数据传输，并且能够克服多信道隐藏终端问题和“盲”状态问题。 使用简单方便，有着良好的经济效益和应用前景。

附图说明

图1为本发明中采用的数据传输方案示意图。

图2为实施例中吞吐量随数据包到达率变化的对比图。

图3为实施例中平均传输时延随数据包到达率变化的对比图。

图4为实施例中吞吐量随节点个数变化的对比图。

图5为实施例中平均传输时延随节点个数变化的对比图。

图6为本发明流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给 出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例以一个7个信道的网络场景为例，网络中存在48个节点，其中一半为发送节点， 一半为接收节点。节点等概率的产生三种不同长度的数据包，分别为300Bytes、600Bytes和 900Bytes。主用户对数据信道的利用率有三种，分别为0.1，0.3和0.6，且三种数据信道数目相 等。主用户的最大干扰容忍时间为2.4ms，数据信道处于空闲状态的平均时间长度为15ms。

如图6所示，本实施例的具体步骤为：

1)节点产生数据包，开始退避过程。

当节点有一个经过数据报划分后长度为3个Unit，即数据传输单元的数据包要发送，在发 送数据包之前，节点随机选取一段时间进行退避。在退避过程的每个时隙内节点检测三个条件：

(1)首先节点侦听控制信道，若该时隙内侦听到信道空闲，则检测第二个条件；若侦听 到信道繁忙，例如侦听到其他节点的CTS和CCTS数据包，从中提取出数据信道占用信息， 更新自己的可用信道列表。

(2)查看可用信道列表中是否存在可用的数据信道，即数据信道定时器超时的信道。

(3)检测记录中的可用信道的T_cmax是否小于等于将要发送的数据包长度，此实施例中选取 T_cmax等于数据包长度的信道。若以上三个条件同时满足，退避定时器减1，否则退避定时器冻 结。

2)当退避定时器超时后，即当退避定时器定时时间减少到0时，收发双方开始在控制信 道上进行信道选择的协商过程：发送方首先发出RTS数据包，RTS中包含发送方提供的可用 信道信息，包括可用信道号以及数据包的长度信息。收到RTS后，接收方根据RTS中的可用 信道信息，再结合自己的可用信道列表中的记录，选择一个支持3个Unit长度数据包传输的信 道，并通过CTS数据包通知发送方。之后，发送方将此次信道选择信息通过CCTS数据包广 播出去，通知邻居节点。

3)数据信道协商确定后，收发双方切换到数据信道，进行数据传输：在数据信道上，节 点的数据包是以Unit为单位进行发送的，在每个Unit发送之前要对数据信道进行侦听，只有 侦听不到主用户的情况下，才允许传输数据，如果检测到主用户，则收发双方必须立刻退回控 制信道。本例中节点数据包长度为3个Unit，因此可以按照附图1中的信道5的传输模式，进 行通信。从图1中可以看出，节点在切换到信道5后，数据包被分为3个Unit发送，在每个Unit 发送之前，都进行了信道检测工作。

4)数据传输完后，发送节点和接收节点退回控制信道，并且对除了上次使用的信道之外 的所有信道启动数据信道定时器，定时长度为相应信道所支持的最大信道占用时间。在本例中， 节点在返回控制信道后，对除了5号信道之外的所有信道启用定时器，定时长度为相应信道的 T_cmax。

技术效果比较：

图2和图3分别是在7信道网络场景下，分别采用本方法和基本控制信道方法以及单信道 IEEE 802.11MAC方法得到的吞吐量和平均传输时延随数据包到达率变化的对比曲线图。由图 1可以看出本方法获得的吞吐量分别是基本控制信道方法的1.6倍，是IEEE 802.11单信道 MAC的6倍。本方法能够很好的解决多信道隐藏终端问题，并且支持长数据包的发送，在不 对主用户造成严重干扰的情况下能够更好的提高网络的吞吐量。由图2可以看出，当网络内数 据包到达率较大时，本方法的时延是最小的。

图4和图5分别是在7信道网络场景下，分别采用本方法和基本控制信道方法以及单信道 IEEE 802.11MAC方法得到的吞吐量和平均传输时延随节点个数变化的对比曲线图。从图4 中可以看到，本方法的吞吐量是三种协议中最高的；从图5中可以看到，随着网络内节点的不 断增多，平均传输时延均在增大，但是本方法在节点较多的情况下，平均传输时延最低，而且 增幅缓慢。