CN102098683A - 伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线传感器网络技术领域的伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，采用伪随机算法生成各个节点对应的退避信道序列，并以退避信道序列进行信道调整。本发明能够有效地利用频谱空洞，提高网络吞吐量，降低数据包传输时延，同时还能够在一定程度上降低网络能耗并抵御主用户干扰，有着十分广阔的应用前景。

Description

伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法
技术领域
本发明涉及的是一种无线传感器网络技术领域的方法，具体是一种伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法。
背景技术
随着无线传感器网络的研究和进展，在未来的5-10年间世界将到处都是低功率无线传感器设备，同时随着802.11b/g和802.15.1等技术的广泛应用，而使得2.4G的ISM频段变得非常拥挤。
而事实上更糟糕的是家用电器(如微波炉)的广泛使用也对WSN产生了极大的干扰。G.Zhou，J.A.Stankovic，和S.H.Son在参考文献“Crowded spectrum in wireless sensor networks(无线传感器网络中的频谱拥塞)”中用HP 8593E频谱分析仪测量2.4G ISM频段的频谱使用率，其测试的网络环境包括家庭护理传感器网络(应用Micaz节点)、微波炉和一个罗技2.4GHz的无线投影仪。其测量结果显示，对于WSN物理层所占的频段，微波炉的干扰占了将近一半的带宽。而无线投影仪的干扰(均匀分布的脉冲信号)也经常性地出现，如2.42GHz的脉冲。当微波炉打开时，Micaz节点的包接收率在46％-81％之间，而当微波炉关闭，其包接收率为100％。
M.Petrova，W.Lili，P. Mahonen，和J.Riihijarvi等在参考文献“Interference Measurements on Performance Degradation between Colocated IEEE 802.11g/n and IEEE 802.15.4Networks(同区域内的IEEE 802.11g/n和IEEE 802.15.4网络之间的干扰导致的性能 退化测量)”中的测试则进一步证明IEEE 802.11g/n的高网络流量干扰对IEEE 802.15.4性能的影响是灾难性的，特别是IEEE 802.11n对IEEE 802.15.4的干扰甚至是很难避免的，因为IEEE802.11n与之前的WLAN技术相比其信道带宽得到了很明显的增加。IEEE 802.11n在高数据传输速率(如骨干网的wireless mesh networks)的广泛采用将严重影响IEEE 802.15.4标准以及其他低功耗的2.4GHz的ISM频段技术的可用性。这表明，低功耗的楼宇自动化，消费电子和传感器网络可能会很容易受到未来IEEE 802.11n高数据速率无线局域网部署的干扰。
根据以上研究的结果分析，引入CR技术是WSN网络继续研究和发展并应用到现实生活中一个很好的出路，也是WSN与其他无线技术在2.4G ISM频段共存的合理解决方案。CR-WSN中最关键的是动态频谱接入(DSA)。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，能够有效地利用频谱空洞，提高网络吞吐量，降低数据包传输时延，同时还能够在一定程度上降低网络能耗并抵御主用户干扰，有着十分广阔的应用前景。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用伪随机算法生成各个节点对应的退避信道序列，并以退避信道序列进行信道调整。
所述的退避信道序列通过以下方式得到：对于每一个节点来说，令x[0]等于该节点的节点号，将x[0]带入线性同余法的迭代公式：x[n+1]＝(A·x[n]+C)modM，连续迭代得到一串长度为M的伪随机序列：x[0]，x[1]，......，x[M-1]。x[0]，x[1]，......，x[M-1]即为该节点的退避信道序列，M为总的信道数，0≤A，C≤M，该序列中的每一个值代表一个信道号。
所述的退避信道序列的长度等于总的信道的个数。
所述的信道调整包括：接收节点搜索和空闲节点调整，其中：
接收节点搜索是指：在超帧开始阶段，每个节点按照各自的退避信道序列调整到第一个空闲信道上，并根据退避信道序列搜索接收节点；
空闲节点调整是指：当某个信道上的空闲节点检测到有其它节点或主用户在该信道进行通信，该空闲节点按照其自身的退避信道序列依次往后退避到空闲信道；
所述的根据退避信道序列搜索接收节点是指：网络中的任一发送节点将接收节点的节点号作为种子代入伪随机算法，从而得到接收节点的退避信道序列，并按照该退避信道序列中的信道依次搜索接收节点。
所述的依次搜索是指：发送节点依次接入接收节点的退避信道序列中的各个信道，当该信道空闲则在该信道上发送RTS包，当未收到目的节点返回的CTS包或收到信道忙反馈则切换到下一个信道；否则在该信道上进行通信；当搜索的次数达到退避信道序列的长度且依然未实现通信则发送节点退回搜索开始前的信道，宣告此次通信失败并启动计时器，准备下一轮搜索；通信完成后，发送节点返回自己退避信道序列的第一个空闲信道上。
本发明能够有效地利用频谱空洞，降低数据包传输时延，降低网络能耗，同时使网络有很好的抗干扰，有着量良好的经济效益和应用前景。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为实施例中平均包传送时延方面的性能比较图；其中：超帧BO＝6，SO＝4。
图3为实施例中平均包传送时延方面的性能比较图，其中：超帧BO＝6，SO＝6。
图4为实施例中单位数据包能耗方面的性能比较图，其中：超帧BO＝6，SO＝4。
图5为实施例中单位数据包能耗方面的性能比较图，其中：超帧BO＝6，SO＝6。
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
本实施例中，场景是一个由4个节点组成的一个点对点网络，任意两个节点之间可以互相通信。节点号为0～3。可接入的信道数为2个。信道编号为0～1。
1)节点初始化阶段：
本例中，以线性同余法作为生成退避信道序列的伪随机算法。由于可接入的信道数为2个，取线性同余法的迭代方程为：
Xn+1＝(Xn+1)mod2            (1)
由于线性同余法要求种子小于总的序列长度(本例中为2)，取每个节点的种子为节点号模2。每个节点采取线性同余法，以本节点的节点号模2为种子代入公式(1)生成自身的退避信道序列，序列的长度等于总的信道的个数。通过线性同余法生成的节点退避信道序列如表1所示。
表1节点退避信道序列
  节点号   退避信道序列
  0   1，0
  1   0，1
  2   1，0
  3   0，1
超帧开始阶段，各节点按照自己的退避信道序列，调整到信道序列的第一个空闲信道上。则1，3号节点在0号信道上；0，2号节点在1号信道上。
2)建立连接并通信阶段：若1号节点和3号节点同时需要向0号节点发送数据包。1号节点和3号节点分别将0号节点的节点号即0作为种子代入线性同余法，从而得到0号节点的退避信道序列：1，0。1号节点和3号节点都切换到1号信道通过CSMA/CA机制竞争信道。假设1号节点竞争到该信道并发送RTS包。3号节点返回原来信道即0号信道。收到0号节点发回的CTS包后，1号节点和0号节点在1号信道建立连接，开始通信。
3)信道退避阶段：1号信道上的剩余的一个空闲节点(即2号节点)感知到信道中有节点在通信，则2号节点按照自己的退避信道序列退避到下一个空闲信道，即0号信道。这样整个网络中的节点通过动态频谱接入实现了一次完整通信过程。整个通信过程的流程图可以通过图1反映出来。
通过仿真实验，评价了本发明的网络性能。图2和图3给出了本发明方案(DSA)与传统的IEEE 802.15.4(Single channel)在平均包传送时延上的性能比较图。图2中，超帧参数为BO＝6，SO＝4。图3中，超帧参数为BO＝6，SO＝6。从图2和图3可以看出，随着超帧中活跃期的增长，不论是在传统的单信道网络还是在伪随机退避的多信道网络中，平均传送时延都在降低。但是对于每一个固定的SO，多信道的时延性能要明显好于单信道的情况。伪随机退避的多信道网络将原来加载在单个信道上的性能负担分摊到了几个不同的信道，它能够很好的利用闲置的频带资源，减少节点发送数据所需要的退避时间，从而提高网络的时延性能。从图中还可以看出，随着数据率的提高，伪随机退避的多信道网络时延优势更加明显。这说明，高数据率的网络应用环境更能够体现CR网络的自适应优势，更有效地利用频谱资源。图4和图5给出了上述两种方案的单位数据包能耗比较。图4中，超帧参数为BO＝6，SO＝4。图5中，超帧参数为BO＝6，SO＝6。从图4和图5可以看出，无论对于哪一种活跃期长度，伪随机退避的多信道网络的单位数据包能耗都要小于传统的单信道网络。能耗的改善主要来自于总的接收能量的减少。当节点在单信道网络中通信的时候，一个节点发送的数据包，所有的空闲节点都会接收到，判断不是发给自己的包然后丢掉。而在多信道网络中，平均每个信道中的空闲节点要比单信道的少很多，这样每个包的接收能量就会降低。随着数据率的提高，这种能耗的改善也会愈发地表现出来。
从以上仿真对比实验可以说明，本发明能够有效地利用频谱空洞，降低数据包传输时延，降低网络能耗，同时使网络有很好的抗干扰，有着量良好的经济效益和应用前景。

Claims (6)

1.一种伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征在于，采用伪随机算法生成各个节点对应的退避信道序列，并以退避信道序列进行信道调整。
2.根据权利要求1所述的伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征是，所述的退避信道序列通过以下方式得到：对于每一个节点来说，令x[0]等于该节点的节点号，将x[0]带入线性同余法的迭代公式：x[n+1]＝(A·x[n]+C)modM，连续迭代得到一串长度为M的伪随机序列：x[0]，x[1]，......，x[M-1]。x[0]，x[1]，......，x[M-1]即为该节点的退避信道序列，M为总的信道数，0≤A，C≤M，该序列中的每一个值代表一个信道号。
3.根据权利要求1或2所述的伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征是，所述的退避信道序列的长度等于总的信道的个数。
4.根据权利要求1所述的伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征是，所述的信道调整包括：接收节点搜索和空闲节点调整，其中：
接收节点搜索是指：在超帧开始阶段，每个节点按照各自的退避信道序列调整到第一个空闲信道上，并根据退避信道序列搜索接收节点；
空闲节点调整是指：当某个信道上的空闲节点检测到有其它节点或主用户在该信道进行通信，该空闲节点按照其自身的退避信道序列依次往后退避到空闲信道；
5.根据权利要求4所述的伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征是，所述的根据退避信道序列搜索接收节点是指：网络中的任一发送节点将接收节点的节点号作为种子代入伪随机算法，从而得到接收节点的退避信道序列，并按照该退避信道序列中的信道依次搜索接收节点。
6.根据权利要求5所述的伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征是，所述的依次搜索是指：发送节点依次接入接收节点的退避信道序列中的各个信道，当该信道空闲则在该信道上发送RTS包，当未收到目的节点返回的CTS包或收到信道忙反馈则切换到下一个信道；否则在该信道上进行通信；当搜索的次数达到退避信道序列的长度且依然未实现通信则发送节点退回搜索开始前的信道，宣告此次通信失败并启动计时器，准备下一轮搜索；通信完成后，发送节点返回自己退避信道序列的第一个空闲信道上。
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