CN102143591B - 分簇无线传感网中认知mac协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络技术领域的分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法，能够有效地使分簇的网络合理地动态地接入可用信道，并且提供适用于CR背景下的超帧结构来保证链路层的数据传输，既要保证网络层面的控制信息和融合数据的传输，又要保证簇层面的簇内节点通信。同时针对主用户到来这种紧急状况应该进行有效的处理，满足动态频谱接入的要求。本发明还考虑到了对已分配出去的可用信道继续进行管理，对信道利用率低或者停止利用的簇的信道使用权利进行释放，以及根据当前可用信道状况对信道资源做动态的更新处理。

Description

分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法

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，具体是一种分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络技术得到了广泛的研究和应用。但对于资源受限的WSN网络和频带资源越来越紧张的状况，CR技术引起了人们的极大关注。CRSN技术也开始得到深入的研究。

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。

CRSN中最为关键的技术就是如何使传感器网络中的节点合理有效的动态接入可用信道进行通信。Sang-Seon Byun，Ilangko Balasingham，and Xuedong Liang的文献“DynamicSpectrum Allocation in Wireless Cognitive Sensor Networks：Improving Fairness and EnergyEfficiency(无线传感器网络中的动态频谱分配：提高公平性和能源效率)”，VETECF，2008，pp.1-5，提出了一种动态频谱分配的算法，它主要考虑到网络节点利用可用信道资源的公平性，最大化的使用可用频谱资源以及如何降低通信能耗。

现有技术中公开Song Gao，Lijun Qian，and D.R.Vaman的文献“Distributed EnergyEfficient Spectrum Access in Wireless Cognitive Radio Sensor Networks(认知无线传感器网络中分布式能量高效的频谱接入)”，WCNC，2008，pp.1442-1447，它提出了将传感器网络中的节点装配感知无线电设备和多载波通信系统，每个想要发送数据的节点需要对整个频谱感知，得到可用的信道频率和发射功率的通信参数。并且通过载波频率选择和功率分配算法减少能量消耗和对其他用户的干扰。

在对CRSN网络的设计中，MAC协议是很重要的一个部分，CR-MAC的作用在于使得次用户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。Yi Ke and Sang-Jo Yoo的文献“MCR-MAC：Multi-channel Cognitive Radio MAC Protocol for Cooperative IncumbentSystem Protection in Wireless Ad-hoc Network(MCR-MAC协议：用于无线自组织网络中联合现任系统保护的多信道认知MAC协议)”，ICUFN，2009，pp.6-1，采用联合保护的办法保护主用户的通信，同时利用一种通知交换机制解决隐藏终端的问题。结果表明MCR-MAC协议提高了系统的性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法，能够有效地使分簇的网络合理地动态地接入可用信道，并且提供适用于CR背景下的超帧结构来保证链路层的数据传输，既要保证网络层面的控制信息和融合数据的传输，又要保证簇层面的簇内节点通信。同时针对主用户到来这种紧急状况应该进行有效的处理，满足动态频谱接入的要求。本发明还考虑到了对已分配出去的可用信道继续进行管理，对信道利用率低或者停止利用的簇的信道使用权利进行释放，以及根据当前可用信道状况对信道资源做动态的更新处理。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

第一步、Sink节点在控制信道，即所有节点的初始信道上对每个簇进行可用信道权限的分配，具体包括以下步骤：

1.1)Sink节点对整个频谱进行扫描，记录可用信道信息，包括信道号和可用信道数目。

1.2)每个簇的簇头节点代表该簇在超帧的活跃期内在控制信道上以CSMA/CA方式竞争可用信道的使用权限，簇头节点竞争获胜后，Sink节点通知该簇头节点可接入的数据信道信息和进行融合数据传输的时间信息。

对于簇内节点，活跃期是用于向簇头节点传输数据的时间，非活跃期是休眠时间；对于簇头节点，活跃期用于信道竞争和接收簇内节点向其发送的数据，非活跃期的某个时隙用于向Sink节点发送融合数据；对于Sink节点，竞争期用于信道使用权限的分配，融合数据传输期被划分为多个时隙，用于接收簇头节点向其发送的融合数据，其中融合数据传输期的时隙数目为网络内簇的个数。

1.3)簇头节点根据可接入的数据信道信息，通知簇内的节点在下一个超帧之前切换到可用信道。

所述的超帧是网络内节点进行同步的一个时间单位，每个超帧包括活跃期和非活跃期两部分。

第二步、数据信道上的数据传输，具体步骤为：

2.1)获得信道使用权的簇切换到指定的数据信道。未获得信道使用权的簇留在控制信道，继续竞争可用信道，重复步骤1.2。

2.2)切换到数据信道后，在超帧开始时，簇头节点启动融合数据定时器，簇内节点侦听簇头节点的信标帧，若侦听到信标帧，簇内有数据要发送的节点在超帧的活跃期内按照CSMA/CA方式竞争信道，竞争获胜后，向簇头节点发送数据，簇内没有数据发送的节点若检测到主用户到来后，退回控制信道，簇头节点执行步骤2.5，然后返回步骤1.2；若没侦听到簇头节点的信标帧，簇内节点退回控制信道，返回至步骤1.3。

所述的融合数据定时器将非活跃期处于睡眠状态的节点在融合数据传输时间上唤醒并进行融合数据传输。

所述的信标帧是指每个超帧头部的一个标志，起网络同步的作用。

2.4)超帧活跃期结束时，簇头节点将接收的数据进行数据融合。

2.5)融合数据定时器超时后，簇头节点醒来并切换回控制信道，向Sink节点发送融合数据或者数据信道被主用户占用的信息。当传递的是融合数据，Sink节点对簇头节点传来的融合数据进行分析，若检测到融合数据量很少或者没有融合数据，Sink节点认为该簇对数据信道的利用率很低或者已经停止利用该信道，马上在此融合数据传递的时隙内对该簇的可用信道使用权限进行释放，把释放信息告诉给簇头节点；当传递的是数据信道不再可用的信息，Sink节点将此数据信道的信息从可用信道记录中删除，簇头节点返回控制信道，执行步骤2.7。

2.6)融合数据发送完成后，簇头节点切换回原数据信道。当信道使用权已经被释放，则簇头节点在下一超帧内初始时刻，通知簇内其它节点进行信道释放，退回到控制信道，返回至步骤1.2；当信道使用权未被释放，准备下一超帧的通信。

2.7)Sink在每帧通信结束后，检测信道记录中的可用信道信息。假设最初Sink节点记录的可用信道总数为N，当检测到记录中的可用信道数目低于阈值N_min(N_min可根据实际情况设定)，Sink节点会对频谱资源进行更新，Sink节点会在下一个超帧内暂停与各簇的通信，返回步骤1.1；否则返回至步骤1.2。

本发明能使基于分簇的无线传感器网络有效地进行动态频谱接入，同时不会对主用户造成严重的干扰。该MAC协议基于IEEE802.15.4标准，简单易行，同时对节点的功能要求较低，在单天线的情况下使得无线传感器网络能够合理地应用CR技术。本发明通过以簇为单位的信道切换，对多信道进行合理的利用，同时本发明设计的CR超帧结构可以保证链路层的数据传输，提高网络通信性能。

附图说明

图1为本发明实施的一个场景图。

图2为本发明设计的簇头节点的CR超帧结构。

图3为本发明设计的Sink节点的CR超帧结构。

图4为本发明的可用信道资源自适应更新流程图。

图5为本发明的可用信道自适应管理流程图。

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。

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

第一步、在一个分簇网络中，起初所有节点停留在控制信道上。Sink节点对频谱进行扫描，假设记录当前有6个可用信道。网络中的簇头节点代表各簇以CSMA/CA方式竞争新到使用权限。假设2号簇头节点竞争获胜，获得Sink节点分配的1号数据信道，而且Sink节点通知2号簇的簇头节点在非活跃期的时隙3传递融合数据。随后，2号簇头节点告知其簇内的节点在下一个超帧之前切换到1号数据信道上。

第二步、2号簇整体切换到1号数据信道之后，在下一个超帧开始时，簇头节点启动用于融合数据传输的定时器，定时时长为超帧开始到时隙3之间的时间长度，如附图2所示。之后，簇内节点开始正常的数据传输。

第三步、当在超帧的活跃期内有主用户到来，处于空闲状态的节点和始终处于接收状态的簇头节点可以根据接收到的主用户信号得知主用户的到来，从而退回到初始的控制信道。簇头节点退回控制信道之后，在原来约定的数据融合传输时间时隙3中将1号信道不可用的信息告知给Sink节点。Sink节点会将记录的可用信道数目减1，当可用信道数目低于N_min，启动信道资源更新机制，如附图4所示。而在当前信道处于CSMA/CA竞争退避状态的节点在连续两个超帧没有侦听到2号簇头节点的信标帧后，退回到初始信道。

第四步、在超帧的非活跃期中，当融合数据传输的定时器超时后，簇头节点醒来切换到控制信道并将融合数据传递给Sink节点。期间，Sink节点根据融合数据进行分析，启用可用信道自适应管理机制，如附图5所示，当融合数据较少或者无融合数据，则Sink节点将释放2号簇的信道使用权。传递完融合数据，簇头节点切换回1号信道，准备下一个超帧的数据通信。

综上所述，本实施例设计的MAC协议合理有效的解决了分簇网络对可用信道的动态接入，所设计的超帧结构能够完成网络层面和簇层面的正常通信，和其它控制信息传输。主用户到来的应急处理机制能够保证此用户的接入不影响主用户的正常通信。可用信道的管理和更新机制能够保证较高的频谱利用率。本实施例的MAC协议建立在IEEE 802.15.4协议之上，简单方便，具有很好经济效益和应用前景。

图1为本实施例所适用的应用场景图。图2为本实施例中簇头节点的超帧结构。图3为本实施例中Sink节点的超帧结构。图4为本实施例中可用信道自适应释放过程流程图。图5为本实施例中可用信道资源自适应更新过程的流程图。

Claims (5)

1.一种分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、Sink节点在控制信道，即所有节点的初始信道上对每个簇进行可用信道权限的分配，具体包括以下步骤：

1.1)Sink节点对整个频谱进行扫描，记录可用信道信息，包括信道号和可用信道数目；

1.2)每个簇的簇头节点代表该簇在超帧的活跃期内在控制信道上以CSMA/CA方式竞争可用信道的使用权限，簇头节点竞争获胜后，Sink节点通知该簇头节点可接入的数据信道信息和进行融合数据传输的时间信息；

1.3)簇头节点根据可接入的数据信道信息，通知簇内的节点在下一个超帧之前切换到可用信道；

第二步、数据信道上的数据传输，具体步骤为：

2.1)获得信道使用权的簇切换到指定的数据信道；未获得信道使用权的簇留在控制信道，继续竞争可用信道，重复步骤1.2；

2.2)切换到数据信道后，在超帧开始时，簇头节点启动融合数据定时器，簇内节点侦听簇头节点的信标帧，若侦听到信标帧，簇内有数据要发送的节点在超帧的活跃期内按照CSMA/CA方式竞争信道，竞争获胜后，向簇头节点发送数据，簇内没有数据发送的节点若检测到主用户到来后，退回控制信道，簇头节点执行步骤2.5，然后返回步骤1.2；若没侦听到簇头节点的信标帧，簇内节点退回控制信道，返回至步骤1.3；

2.4)超帧活跃期结束时，簇头节点将接收的数据进行数据融合；

2.5)融合数据定时器超时后，簇头节点醒来并切换回控制信道，向Sink节点发送融合数据或者数据信道被主用户占用的信息；当传递的是融合数据，Sink节点对簇头节点传来的融合数据进行分析，若检测到融合数据量很少或者没有融合数据，Sink节点认为该簇对数据信道的利用率很低或者已经停止利用该信道，马上在此融合数据传递的时隙内对该簇的可用信道使用权限进行释放，把释放信息告诉给簇头节点；当传递的是数据信道不再可用的信息，Sink节点将此数据信道的信息从可用信道记录中删除，簇头节点返回控制信道，执行步骤2.7；

2.6)融合数据发送完成后，簇头节点切换回原数据信道；当信道使用权已经被释放，则簇头节点在下一超帧内初始时刻，通知簇内其它节点进行信道释放，退回到控制信道，返回至步骤1.2；当信道使用权未被释放，准备下一超帧的通信；

2.7)Sink在每帧通信结束后，检测信道记录中的可用信道信息；假设最初Sink节点记录的可用信道总数为N，当检测到记录中的可用信道数目低于阈值N_min，Sink节点会对频谱资源进行更新，Sink节点会在下一个超帧内暂停与各簇的通信，返回步骤1.1；否则返回至步骤1.2。

2.根据权利要求1所述的分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法，其特征是，第一步中所述的簇内节点，活跃期是用于向簇头节点传输数据的时间，非活跃期是休眠时间；所述的簇头节点，活跃期用于信道竞争和接收簇内节点向其发送的数据，非活跃期的某个时隙用于向Sink节点发送融合数据；所述的Sink节点，竞争期用于信道使用权限的分配，融合数据传输期被划分为多个时隙，用于接收簇头节点向其发送的融合数据，其中融合数据传输期的时隙数目为网络内簇的个数。

3.根据权利要求1所述的分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法，其特征是，所述的超帧是网络内节点进行同步的一个时间单位，每个超帧包括活跃期和非活跃期两部分。

4.根据权利要求1所述的分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法，其特征是，所述的融合数据定时器将非活跃期处于睡眠状态的节点在融合数据传输时间上唤醒并进行融合数据传输。

5.根据权利要求1所述的分簇无线传感网中认知MAC协议的实现方法，其特征是，所述的信标帧是指每个超帧头部的一个标志，起网络同步的作用。

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