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

摘要

本发明涉及一种CRSNs中基于认知与源感知节点分离的媒体访问控制方法，该方法将认知功能与传感器节点分离，传感器节点不再承担频谱感知功能，只负责源感知，而认知功能则搬移至CRSN中的其他专用节点，由这些专用节点负责频谱感知。本方法一方面缓解了在WSN网络所工作的公用频段随着各种新兴的无线通信技术的兴起而导致的频谱稀缺，WSN中的MAC协议没有考虑频谱感知和频谱管理等问题也得到了解决；另一方面，解决了在CRSN的MAC协议中，所有节点都进行频谱感知、频谱切换等功能的处理复杂性和能耗的增加以及每个传感器节点都配备认知模块所带来的生产成本较高的问题。本发明很好的解决了均衡网络能量消耗、延长网络生命周期以及提高吞吐量等方面的问题。

说明书

技术领域

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

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(IndustrialScientificMedical，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。

由于认知无线电(cognitiveradio，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 (cognitiveradiosensornetwork，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。

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。

MAC(mediumaccesscontrol)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。

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。

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 簇中有一个簇头节点(clusterhead，CH)和若干个成员节点(clustermember，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。

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。

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。

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

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：

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，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。

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：

该网络中存在主用户(PrimaryUser，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(cognitivenodes，CNs)与N个传感器节点(sensornodes，SNs)， 为网络中的次用户(SecondaryUser，SU)；认知节点与传感器节点的个数按1：n的比例部署， n为正整数；

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P_TK，在信道上的活动时间为τ_on，非活动时间为τ_off；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P_d，误报率为P_f；

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：

$E_{Tx}(k,d)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{kE}}_{elec}+{\mathrm{kE}}_{fs}{d}^2& d<d_0\\ {\mathrm{kE}}_{elec}+{\mathrm{kE}}_{mp}{d}^4& d\ge d_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中E_elec是发射或接受每比特信息所消耗的能量，放大器能耗E_fs与E_mp均为固定值，d₀为距 离常量；接受k比特消息的能耗为：

E_RX(k)＝kE_elec(2)。

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：

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；

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n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；

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；

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。

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：

1)CN通知组内SN唤醒工作；

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T_sense；

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T_n；

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；

5)占用到空闲频段的CN将空闲信道分配给自己组内的n个SN节点，记为n_sn，并规定 每个节点的传输时隙；

6)各个SN节点在被分配的信道上按时隙依次向CN汇总传输源感知数据；

7)CN接收到各SN节点的数据后进行汇总融合；

8)SN向其对应的CN发送完数据后进入睡眠，等待CN唤醒开始下一周期工作。

进一步，在所述MAC协议中，各个组CN之间转发数据过程如下：

1)CN_i汇总完数据后立刻进入转发数据阶段，CN_i继续占用组内工作时使用的信道h_i；CN_i首先通过公共控制信道向其所有靠近调度节点(sink)的邻居CN依次发送RTS(RequestTo Send)包，该RTS包中包含CN_i将要占用的信道h_i信息，并开始等待时长为T_w；

2)空闲的邻居CN接收到CN_i发送的RTS包后，通过公共控制信道向CN_i发送回复消息 RM(ReturnMessage)，并切换到信道h_i中；

3)CN_i向第一个回复RM的邻居节点转发数据；

4)邻居节点接收到转发的数据包后通过公共控制信道向CN_i发送确认消息(ACK)；

5)若CN_i在等待T_w后，没有收到任何邻居回复的RM包，则邻居节点均忙，CN_i重发RTS 包，并等待T_w，直到收到邻居节点的回复消息；

6)CN_i收到确认消息后，一次转发过程结束；CN之间继续转发，直到CN将数据发送 到sink节点为止。

本发明的有益效果在于：本发明提出的CRSN中基于认知与传感器节点分离的MAC协 议方法，将认知功能与传感器节点分离，传感器节点不再承担频谱感知功能，只负责源感知， 而认知功能则搬移至CRSN中的其他专用节点，由这些专用节点负责频谱感知。该协议解决 了两方面的问题。一方面缓解了在WSN网络所工作的公用频段随着各种新兴的无线通信技 术的兴起而导致的频谱稀缺，WSN中的MAC协议没有考虑频谱感知和频谱管理等问题也得 到了解决；另一方面，解决了在CRSN的MAC协议中，所有节点都进行频谱感知、频谱切 换等功能的处理复杂性和能耗的增加以及每个传感器节点都配备认知模块所带来的生产成本 较高的问题。本发明很好的解决了均衡网络能量消耗、延长网络生命周期以及提高吞吐量等 方面的问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为组内工作流程图；

图2为协商占用信道流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

针对现有的CRSN网络的缺点，本发明所述方法首先将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；在这种 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，因此，传感器节点应该也需要有动态改变发射参数的功能。显 然在这种网络中，两种节点只有紧密结合，协调工作才能发挥出优势。然而，现有的基于 WSN的MAC协议显然不能用于CRSN；同时目前基于CRSN的MAC协议因为都是基于认 知功能和传感器节点一体化即基于同质节点的MAC协议，也无法用于认知节点和传感器节 点相互独立的CRSN中。在提出基于异质节点分离的CRSN后，进而采用了适应这种新型网 络的MAC协议，并通过该协议分析网络性能。

具体来说：

1、在本方法中，所述的建立异质节点的CRSN网络具体包括：

该网络中存在主用户(PrimaryUser，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(cognitivenodes，CNs)与N个传感器节点(sensornodes，SNs)， 为网络中的次用户(SecondaryUser，SU)；认知节点与传感器节点的个数按1：n的比例部署， n为正整数；

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P_TK，在信道上的活动时间为τ_on，非活动时间为τ_off；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P_d，误报率为P_f；

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：

$E_{Tx}(k,d)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{kE}}_{elec}+{\mathrm{kE}}_{fs}{d}^2& d<d_0\\ {\mathrm{kE}}_{elec}+{\mathrm{kE}}_{mp}{d}^4& d\ge d_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中E_elec是发射或接受每比特信息所消耗的能量，放大器能耗E_fs与E_mp均为固定值，d₀为距 离常量；接受k比特消息的能耗为：

E_RX(k)＝kE_elec(2)。

2、异质节点分离的MAC协议：

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。

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n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。

考虑到各组内不同的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。

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。

2.1、组内频谱感知及数据汇总过程如下：

1)CN通知组内SN唤醒工作；

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T_sense；

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T_n；协商占用信道流程如图2所示；

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；

5)占用到空闲频段的CN将空闲信道分配给自己组内的n个SN节点，记为n_sn，并规定 每个节点的传输时隙；

6)各个SN节点在被分配的信道上按时隙依次向CN汇总传输源感知数据；

7)CN接收到各SN节点的数据后进行汇总融合；

8)SN向其对应的CN发送完数据后进入睡眠，等待CN唤醒开始下一周期工作。

各组CN节点可根据频谱占用情况和数据转发时间调整工作周期。组内工作流程分别如 图1(a)、1(b)、1(c)所示。

如图1(a)，CN_i是感知到空闲频谱并在信道协商后占用到空闲信道的节点，此后直接给 其组内各个SN分配信道，SN_i1到SN_in依次在被分配的信道上向CN_i发送感知数据(采用时 分复用的方式)，CN_i对数据进行接收并汇总。

如图1(b)，CN_j为频谱协商后未占用到空闲信道的节点，其组内SN_j等待后未收到CN_j分配信道信息，进入睡眠状态；CN_j在排队等待一段时间T_q后重新感知空闲频段后再进行协 商使用，占用到信道后唤醒其组内SN_j并为它们分配信道进行数据融合汇总。

如图1(c)，CN_k为频谱感知后未感知到空闲频段的节点，直接进入队列排队等待后，重 新进行频谱感知，再协商接入并接收组内SN_k传输数据。SN_k源感知后未收到CN_k的信道分 配通知，则进入睡眠状态并等待CN_k唤醒。每组节点在转发完数据后重新进入新一轮工作周 期继续工作。

各个CN之间通过在公共控制信道进行协商使用空闲信道，可以在主用户空闲时同时占 用不同的数据信道进行数据传输，如图2所示。

频谱感知时间结束后，感知到空闲信道的各CN节点在公共控制信道监听并发送协商包 对不同的数据信道进行协商接入。CN首先监听公共控制信道是否有其他节点发送的协商包， 若无则发送一个协商数据包，说明自己将要占用的信道后接入。当监听到其他CN发送的协 商包后，则退避并判断自己将占用的信道与监听到的信道是否相同，若不同，则在退避后重 新监听并发送协商包；若相同，则另选一条空闲信道并发送包含该信道的协商包，若所有可 用信道均被之前的CN占用，则进入等待队列，排队等待后重新感知频谱进行接入。

例如，在第一个频谱协商阶段CN₁到CN_n感知到空闲信道并通过协商占用，CN₁感知到 信道1空闲并将占用信道1时，先在公共控制信道上监听，此时没有其他CN的协商包便发 送自己对信道1的占用信息，CN₂监听到公共控制信道上CN₁发送的信息后，退避并决定占 用空闲信道2，CN₂也在公共控制信道发送协商包，其他CN节点监听到CN₂发送的协商包 后不再占用信道2传输数据，另选一条新的空闲信道。各组CN排队依次监听并使用空闲信 道。

第二个频谱协商阶段为没有感知到空闲频谱或未占用到空闲信道的CN用户，他们分别 排队等待(T_n+T_q)和T_q后重新进行频谱感知并协商接入，例如CN_n+1排队等待后重新进行 频谱感知然后在公共控制信道监听并占用信道1传输数据，队列中的CN依次采取同样的方 式占用空闲信道传输数据。

2.2、各个组CN之间转发数据过程如下：

1)CN_i汇总完数据后立刻进入转发数据阶段，CN_i继续占用组内工作时使用的信道h_i； CN_i首先通过公共控制信道向其所有靠近调度节点(sink)的邻居CN依次发送RTS(Request ToSend)包，该RTS包中包含CN_i将要占用的信道h_i信息，并开始等待时长为T_w；

2)空闲的邻居CN接收到CN_i发送的RTS包后，通过公共控制信道向CN_i发送回复消息 RM(ReturnMessage)，并切换到信道h_i中；

3)CN_i向第一个回复RM的邻居节点转发数据；

4)邻居节点接收到转发的数据包后通过公共控制信道向CN_i发送确认消息(ACK)；

5)若CN_i在等待T_w后，没有收到任何邻居回复的RM包，则邻居节点均忙，CN_i重发 RTS包，并等待T_w，直到收到邻居节点的回复消息；

6)CN_i收到确认消息后，一次转发过程结束；CN之间继续转发，直到CN将数据发送 到sink节点为止。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。