一種CRSNs中基于認知與源感知節點分離的媒體訪問控制方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于無線傳感網絡技術領域，涉及一種CRSNs中基于認知與源感知節點分 離的媒體訪問控制方法。
【背景技術】
[0002] 21世紀以來，無線通信技術、微芯片制造等技術的進步促進了 WSN的大規模部署應 用與發展。然而，工作在免授權工業、科學、醫學頻段（Industrial Scientific Medical， ISM)的WSN與其它無線通信技術(如Wifi、藍牙、Wimax、Zigbee等)共用頻譜，導致各種無線 設備間的干擾日益嚴重，進而影響了 WSN的服務質量及其繼續發展。
[0003] 由于認知無線電（cognitive radio,CR)能夠動態地改變其操作參數、感知頻譜、 確定空閑頻帶，并伺機使用這些可用頻帶。為此，一些研究人員提出將CR技術引入WSN，使得 每一個傳感器節點都具有頻譜感知、動態改變發射參數的功能，構成認知無線傳感器網絡 (cognitive radio sensor network，CRSN)，通過認知功能動態地感知頻譜空洞并伺機接 入以在授權頻段工作，從而提高整體頻譜利用率。
[0004] 與傳統WSN相比，CRSN在動態頻譜接入、并發數據的伺機信道使用、適應性地降低 能耗、多個異構WSN的重疊部署、不同頻譜管理政策下工作方面擁有巨大的優勢，具有重大 應用價值和遠大的發展前景，也被認為是下一代WSN。
[0005] MAC(medium access control)媒體訪問控制協議通過協調控制節點接入頻譜的 方式，為WSN提供了一種在能量有效的前提下盡可能增加吞吐量、降低干擾的方法，故而設 計一種有效的MAC協議將對網絡性能產生重要影響。WSN的MAC協議主要用于協調接入頻譜 時減少干擾以及數據包碰撞。在設計MAC協議時需考慮WSN自身的特點如節點分散部署、非 集中控制、不穩定的鏈路、無規律的數據包到達以及網絡長期運行等。
[0006] 在設計CRSN中的MAC的關鍵問題包括:①在主用戶存在的情況下，有效地控制和調 度網絡中的節點合理地使用空閑頻段，使傳感器節點在不影響主用戶通信的情況下伺機的 利用多信道進行數據傳輸;②在傳感器節點處理能力及能源有限的前提下盡可能的降低協 議工作機制的復雜性，以使傳感器節點在頻譜認知功能的輔助下能有效地工作;③以及在 兼顧上述問題的同時盡可能的減少節點能耗，同時在節點能耗與其他網絡性能之間例如吞 吐量和時延等取得平衡。
[0007] 現有的CRSN中的MAC協議可分為基于分簇網絡的MAC協議和基于分布式的MAC協議 兩類。首先，基于分簇的MAC協議是將CRSN中的節點按照一定的算法分為若干個簇，每個簇 中有一個族頭節點（cluster head，CH)和若干個成員節點（cluster member，CM)，CH節點完 成簇內調度工作，包括簇內CM節點睡眠-喚醒調度、信道分配、接收并融合CM節點匯總的數 據以及數據轉發等。基于分簇的MAC協議便是通過CH節點為CM節點分配空閑頻譜來完成網 絡的工作調度，并結合載波監聽多址接入、時分復用等技術完成節點間通信。在基于分布式 的MAC協議中，網絡中的節點工作并未受到統一調度，節點間的通信由發送節點和接收節點 協作完成，每一對發送節點和接收節點之間獨立的進行控制包和數據包的傳輸。
[0008] 現有的CRSN中基于分簇網絡的MAC協議，其主要缺點在于網絡的分簇算法還采用 WSN網絡中的一些傳統的分簇方法，并未驗證這些算法在CRSN中的適用性，例如在CRSN中， 每一個節點都具備頻譜認知功能，同時也引入了空閑頻譜協商過程，各節點的信息處理能 力和能量消耗都有了顯著提高，傳統的分簇方法顯然無法直接適用于CRSN，進而在分簇網 絡中的MAC協議設計也難以保證可靠性。
[0009] 與傳統WSN相比，CRSN中的傳感器節點額外增加了頻譜感知、頻譜切換等功能，極 大消耗了傳感器節點本已受限的能量和處理能力；另外，CRSN傳感器節點處理能力有限，常 常需要多個傳感器節點進行協作頻譜感知然后通過協調器融合判決，他們之間感知信息的 相互交流也導致了大量的能耗。這些由認知功能帶來的額外的能耗和處理要求與傳感器節 點固有的資源約束產生了巨大的矛盾，極大地增加了功率高效的認知傳感器節點的設計難 度。如果不加以解決，將極大地縮短了CRSN生存時間，阻礙CRSN發展與應用。
[0010] CR接收機的生產成本取決于頻譜感知所采用技術，技術越復雜越昂貴，精確度也 高。就以最簡單的基于能量探測的頻譜感知技術為例，它的生產成本也要遠高于只能進行 簡單處理的廉價傳感器節點，因而其生產成本也高于傳感器節點。在每個傳感器節點上都 裝載一個CR接收機(大規模部署），顯而易見極大地增加了網絡的生產成本，進而增加了低 成本認知傳感器節點的設計難度。如果CRSN高成本部署問題不加以解決，那么定位于低成 本、低功耗的CRSN就失去了存在的價值和市場應用前景。

【發明內容】

[0011] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種CRSNs中基于認知與源感知節點分離的媒 體訪問控制方法，具體包括以下技術方案：
[0012] -種CRSNs中基于認知與源感知節點分離的媒體訪問控制方法，在本方法中：首先 將CRSN節點的認知功能獨立成另外的節點，即形成兩種類型的節點共存于同一WSN中的網 絡，即異質節點的CRSN網絡;在該網絡中，認知節點負責頻譜感知，傳感器節點負責對周邊 環境進行探測收集數據;每次傳感器節點需要傳輸數據，需要認知節點探測到空閑頻譜后 通知傳感器節點，然后傳感器節點使用分配的頻譜進行發送數據，即傳感器節點應該也需 要有動態改變發射參數的功能;在此基礎上，設計并采用適應該種新型網絡的MAC協議，進 行媒體訪問控制。
[0013] 進一步，在本方法中，所述的建立異質節點的CRSN網絡具體包括：
[0014]該網絡中存在主用戶(Primary User，PU)，對頻譜具有優先使用權，在網絡中部署 兩類節點：即M個認知節點（cognitive nodes，CNs)與N個傳感器節點（sensor nodes，SNs)， 為網絡中的次用戶（Se condary Us er，SU);認知節點與傳感器節點的個數按I: η的比例部 署，η為正整數；
[0015] 在主用戶空閑時次用戶通過頻譜感知檢測到空閑頻段并伺機使用這些頻譜進行 數據傳輸;假設在網絡中存在一條公共控制信道，該信道無主用戶存在，次級用戶通過分段 ALOHA系統接入公共控制信道協商使用空閑的數據信道;次級用戶即M個認知節點與N個傳 感器節點部署在Am2的區域中，各個節點傳輸半徑為r米，節點配備一個收發器，在同一時刻 只能發送或接收數據;CN在C條數據信道中伺機選擇傳輸數據需要占用的信道;同時網絡中 存在P個主用戶，對信道的占用率為Ρτκ，在信道上的活動時間為Tcin，非活動時間為Ttlff;假設 認知節點以能量檢測的方法感知頻譜，信道探測準確率為Pd，誤報率為Pf;
[0016]無線電能量耗散模型如下，在距離d發送k比特數據消耗的能量為：
[0018] 式中Eelec是發射或接受每比特信息所消耗的能量，放大器能耗Efs與Emp均為固定 值，do為距離常量;接受k比特消息的能耗為：
[0019] ERx(k) =kEeiec (2)。
[0020]進一步，本方法中，采用的適應于該CRSN網絡中異質節點分離的MAC協議具體包 括：
[0021]假定事先根據認知節點和傳感器節點的初始能量及其能量消耗速率確定好認知 節點和傳感器節點的比例，并且均勻部署；
[0022]在網絡初始化階段，CNs與SNs按照1: n (n = 1，2，3…）的比例部署在感知域后，調度 節點（sink)向網絡中的CNs廣播自己的位置信息，各CN在數據轉發階段根據sink的位置信 息依據最短路徑的原則選擇轉發數據路徑;各個CN通過發送和接收地理位置信息包尋找及 確定自己的鄰居CN，鄰居節點個數記為n cn;同時各CN尋找自己周圍的SNs，選取離自己最近 的η個SN成為一個組，該CN將為其組內SNs感知并分配空閑頻譜，組內SNs向其對應的CN發送 數據；
[0023]因為各組內不同的SN到CN的距離不同，為平衡各SN節點的能耗，各組內取SN距離 CN的最大值，作為組內SN節點匯總數據時的傳輸距離，以使各SN節點同時耗盡能量，達到網 絡節點能耗平衡；
[0024] 網絡初始化完成后，兩類節點之間的工作必須協調完成，這些工作包括組內節點 間工作協議以及組間的數據轉發兩個階段，其中組內節點間工作協議在各個CN與SN構成的 組內進行，包括頻譜感知、頻譜協商、分配信道及接受數據;數據轉發在組間通過CN節點之 間完成。
[0025] 進一步，在所述MAC協議中，組內頻譜感知及數據匯總過程如下：
[0026] I) CN通知組內SN喚醒工作；
[0027] 2)CN開始感知空閑頻譜，SN進行源感知（即對周邊環境進行探測），持續時間為 Tsense ；
[0028] 3)CN感知到空閑頻段后在公共控制信道發送廣播包，把要占用的信道信息與其他 CN進行交互，使不同的組占用不同的數據信道或分時段占用同一條空閑信道，避免傳輸碰 撞，持續時間為Tn;
[0029] 4)未感知到空閑頻段或未占用到空閑頻段的CN，等待一段時間后繼續進行空閑頻 譜探測，然后占用空閑信道傳輸數據