CN102917376A - 结合功率控制的认知无线传感器网络的mac实现方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器技术领域的结合功率控制的认知无线传感器网络的MAC实现方法，通过使待传输数据的一对节点在控制信道协商选择数据信道，选择信道的过程中采用包含发送端冲突检测和接收端冲突检测的1/2最大半径覆盖范围联合冲突检测实现MAC。本发明能够有效节省能耗，延长网络生命期，并且能够通过增加并发传输数量提高网络吞吐量。为了使每一对通信的节点都能够以所需的最小功率进行通信。

Description

结合功率控制的认知无线传感器网络的MAC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，具体是一种结合功率控制的认知无线传感器网络的MAC(介质访问控制Media Access ControD实现方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络(WSN)作为一项快速发展的技术得到了广泛应用，但是有限的频谱资源和传统的固定频谱分配方式制约了无线传感器网络的进一步发展。认知无线电(CR)技术能够使未授权用户机会接入授权用户未使用的频谱，充分利用频谱资源。因此，作为CR和WSN的结合，CRSN技术开始得到深入研究，其MAC协议设计需要面临的一个重要挑战就是多信道隐藏终端问题。

目前，无线自组织网络的多信道介质接入协议主要分为四种类型：1)控制信道；2)分阶段；3)共同跳频；4)伪随机跳频。

现有技术中公开了S.L.Wu，C.Y.Lin，Y.C.Tseng，and J.L.Sheu的文献“A newmulti-channel MAC protocol with on-demand channel assignment for multi-hop mobile ad hocnetworks(一种新的多跳移动ad hoc网络的按需分配的多信道MAC协议)”，in Int’l Symposiumon Parallel Architectures，Algorithms and Networks(I-SPAN)，2000，它将信道分为控制信道和数据信道，控制信道用于控制信息交互，数据信道用于数据传输。每个节点配置双天线，通过将一条天线固定在控制信道侦听邻居节点控制信息来避免多信道隐藏终端问题。

J.So and N.H.Vaidya的文献“Multi-channel MAC for ad hoc networks：handlingmulti-channel hidden terminals using a single transceiver(单天线解决隐藏终端问题的ad hoc网络多信道MAC协议)”，in Proceedings of the 5th ACM MobiHoc，2004，提出了一种节点采用单天线避免隐藏终端问题的方法，将时间分为控制时期和数据时期，所有节点在控制时期接入指定信道交互信息，网络需要严格的时间同步。

Rodrigo Soule de Castro and Philippe Godlewski的文献“An overview of DSA viamulti-channel MAC protocols(多信道MAC协议DSA概述)”The 9th IFIP AnnualMediterranean，Ad Hoc Networking Workshop(Med-Hoc-Net)，2010，从节点配置的天线个数、是否需要控制信道、是否需要时间同步以及协商的方式等四个方面对当前大部分多信道MAC协议进行了分析比较，由此可以看出大多数MAC协议并没有考虑节点的发射功率，并且解决多信道隐藏终端的方法大多是采用多天线或者时间同步。

对于认知无线传感器网络而言，传感器节点采用电池供电并且不易经常充电，所以能量消耗是CRSN需要考虑的一个重要指标，同时考虑到WSN的低经济成本要求以及Ad Hoc特性，研究结合功率控制的节点采用单天线且不需要时间同步的认知无线传感器网络MAC实现方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种结合功率控制的认知无线传感器网络的MAC实现方法，能够有效节省能耗，延长网络生命期，并且能够通过增加并发传输数量提高网络吞吐量。为了使每一对通信的节点都能够以所需的最小功率(以下称为最优功率)进行通信。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过使待传输数据的一对节点在控制信道协商选择数据信道，选择信道的过程中采用包含发送端冲突检测和接收端冲突检测的1/2最大半径覆盖范围联合冲突检测实现MAC。

所述的控制信道和数据信道的信道带宽相同并且信道间互不干扰。

所述的节点之间均以最优功率进行通信且以不产生干扰为准则协商选择数据信道。

所述的不产生干扰是指：当发送节点和接收节点接入某个信道后，发送节点不会干扰已在该信道的其它接收节点接收数据，即发送节点覆盖范围内没有其它接收节点，接收节点也不会被其它正在发送的节点干扰，即接收节点不会处在其它发送节点的覆盖范围内。

所述的节点内设有邻居节点状态表，该邻居节点状态表包括：该节点与其邻居节点通信的最优功率以及各个邻居节点的工作状态，每个节点通过侦听控制信道更新自己的邻居节点状态表，并根据邻居节点状态以不产生干扰为准则获得可用信道列表。

所述的可用信道列表作为控制信息的一部分发送给与之进行协商的节点。

所述的工作状态包括：邻居节点的当前所在信道、数据收发状态、通信的功率值以及通信剩余的时间。

所述的节点内设有定时器，当任一邻居节点启动数据通信时则启动定时器进行倒计时，当定时器减为0时则自动更新邻居节点状态表中对应该邻居节点的工作状态。

所述MAC实现方法具体包括以下步骤：

1)当一个节点存在待发送数据包时，该节点先按照IEEE802.11 DCF的CSMA/CA机制在控制信道进行竞争，当竞争成功时则该节点向其位于传输路径上的邻居节点发送包含接收节点号以及传输功率的RTS(请求发送，Request to send)；

2)首先收到RTS的节点根据接收的功率判定其与发送节点之间通信的最优功率值，并记录在该节点本身的邻居节点状态表中，然后由接收节点生成接收端可用信道列表，最后接收节点沿原路径向发送节点发送含有可用信道列表和最优功率值的CTS(清除发送，Clear to send)。

3)发送节点收到CTS后将CTS中的通信最优功率值记录在其本身的邻居节点状态表中，然后根据不产生干扰原则从CTS中的可用信道列表中选择一条数据信道作为发送节点可用信道，并向接收节点以及发送节点的所有邻居节点发送含有选择的数据信道、通信最优功率和数据传输所需时间的RES(预留，Reservation)，最后由收到RES的节点更新其本身的邻居节点状态表。

4)发送节点进行冲突检测

5)接收节点在发送端的冲突检测等待结束后向其所有邻居节点发送含有确定后数据信道、通信最优功率和数据传输所需时间的ARES(预留确认，Acknowledge for reservation)，最后由收到ARES的节点更新其本身的邻居节点状态表。

6)接收节点进行冲突检测

7)发送节点和接收节点在接收端的冲突检测等待结束后跳到相应的数据信道进行通信，发送节点和接收节点的邻居节点对该次通信启动定时器。

当发送节点已知和接收节点通信的最优功率时，所述的MAC实现方法包括以下步骤：

i)发送节点在控制信道竞争，当竞争成功后则该节点向其位于传输路径上的邻居节点发送包含接收节点号、发送端可用信道列表和数据传输所需时间的RTS。

ii)接收节点收到RTS后从RTS中的发送端可用信道列表中选择一条数据信道作为接收端可用信道，并向发送节点及该接收节点的所有邻居节点发送含有选择的数据信道、最优功率和数据传输所需时间的CTS，最后由收到CTS的节点更新其本身的邻居节点状态表。

iii)接收节点进行冲突检测

iv)发送节点在接收端的冲突检测等待结束后向其所有邻居节点发送含有选择的数据信道、最优功率和数据传输所需时间的ACTS(CTS确认，Acknowledge for CTS)，最后由收到ACTS的节点更新其本身的邻居节点状态表。

v)发送节点进行冲突检测

vi)发送节点和接收节点在发送端的冲突检测等待结束后跳到相应的数据信道进行通信，发送节点和接收节点的邻居节点对该次通信启动定时器。

所述的冲突检测包括以下步骤：

步骤一、当①接收节点发送CTS或ARES后或者②发送节点发送ACTS或RES后，该接收节点和发送节点进行冲突检测等待；

所述的冲突检测等待是指：在设定的时间段内暂时不进行数据通信，接收邻居节点的冲突告警。

步骤二、步骤一中所述接收节点或发送节点的邻居节点根据接收到的CTS、ARES、ACTS或RES的功率大小判断其本身是否属于接收节点或发送节点的1/2最大半径覆盖范围内，即与接收节点或发送节点的距离是否小于1/2最大功率覆盖半径，在该范围内的邻居节点成为检测节点并且执行步骤三，否则不进行冲突检测；

步骤三、检测节点针对发送节点的冲突检测和接收节点的冲突检测采用不同的检测半径和告警准则，检测节点根据其本身的邻居节点状态表判断在检测范围内存在满足告警准则的节点时则检测节点以最优功率向发送节点或者接收节点发送极短的忙音信号，即冲突告警信号；

所述的告警准则是指：

a)当检测节点为接收节点进行冲突检测时，检测范围内是否有处于发送状态并且满足D＜d+r_I的节点，其中：D为检测节点与接收节点之间的距离，d为检测节点与该节点的距离，r_I为该节点的发射功率覆盖半径；

b)当检测节点为发送节点进行冲突检测时，检测范围内是否有处于接收状态的节点；

c)当检测节点对其最大功率覆盖范围内的各个节点的地理位置已知时，检测节点根据自己的邻居节点状态表和节点的地理位置信息可以正确判定是否会产生冲突。

所述的检测半径R_D是指：

a)当接收节点的邻居节点进行冲突检测时，R_D＝R-D，其中：D为检测节点与接收节点的距离，R为最大功率覆盖半径；

b)当发送节点的邻居节点进行冲突检测时，R_D＝D+R_I，其中：D为检测节点与发送节点的距离，R_I表示发送节点发射功率覆盖半径，且D＞R_I；

c)当发送节点的邻居节点进行冲突检测时，R_D∈[R_I-D，min{R-D，D+R_I}]，其中：D为检测节点与发送节点的距离，R_I表示发送节点发射功率覆盖半径，且D≤R_I。

d)当检测节点对其最大功率覆盖范围内的各个节点的地理位置已知时，R_D＝R。

步骤四、当接收节点或发送节点收到极短的忙音告警信号时则向所有邻居节点发送cancel包取消通信，最后由收到cancel包的节点更新其本身的邻居节点状态表，当该节点为发送节点时则返回重新竞争控制信道。

本发明所采用的1/2最大半径覆盖范围内的节点主要优点在于：

1)1/2最大半径覆盖范围内的节点在发送忙音时，发送功率不超过1/4最大功率，因此忙音的干扰范围只在发送(接收)节点的最大功率覆盖范围内，不会对该范围以外的节点造成假告警。

2)在不造成假告警的情况下最大化冲突检测范围，提高检测的准确度。

根据网络中节点分布密度，也可以选择小于1/2最大半径覆盖范围内的节点进行联合冲突检测。当容许一定的假告警时，也可以适量增大冲突检测的范围，提高检测准确度。

这种联合冲突检测方法也可以适用于由发送端或者接收端单独选择数据信道的场景。此时，联合冲突检测只运用在发送端或者接收端来避免隐藏终端问题。

附图说明

图1为1/2最大半径覆盖范围联合冲突检测示意图；

图中：(a)为发送端冲突检测；(b)为接收端冲突检测。

图2为实施例的场景图。

图3为实施例的吞吐量曲线图。

图4为实施例的单个数据包能耗曲线图。

图5为实施例的并发传输数曲线图。

图6为实施例的碰撞数曲线图。

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

网络包含30个节点，使用一条控制信道和三条数据信道，网络拓扑如图1所示。假设节点数据包的到达服从泊松分布，且具有相同的到达率。假设节点的缓冲区是无限的，每个数据包在尝试发送5次后即被丢弃。在该实施例中，我们假设节点对最大功率覆盖范围内的节点地理位置已知，采用RTS/CTS/ACTS协商方式。

对比方案同样采用控制信道，节点在控制信道通过最大功率发送RTS/CTS/ACTS进行协商，节点通过侦听邻居节点的控制信息，记录邻居节点的状态，包括邻居节点选择的通信数据信道、通信时间以及数据收发状态。不同的是对比方案中不调节发射功率，每对节点都以最大功率进行通信并且没有冲突检测过程。

这里，节点对的最优发射功率P_T以节点对之间的距离衡量，即

$P_T={\left(\frac{d}{R}\right)}^2{P}_{\max }$

其中：d为节点间距离，R为最大发射功率的覆盖半径，P_max为最大发射功率。本实施例中，R＝2。

实施例中发射功率，接收功率和空闲功率分别为21dBm，20dBm和10dBm。退避窗口采用[CW_min，CW_max]＝[8，128]，一个时隙为20us，数据信道数据率为1Mb/s。实施例中数据包长度均为500bytes，因此一个数据包占用200个时隙。发射端和接收端的冲突检测等待时间均为一个时隙，RTS、CTS、ACTS均占用三个时隙。

本实施例包括以下步骤：

第一步、发送节点在控制信道竞争，当竞争成功后则该节点向其位于传输路径上的邻居节点发送包含接收节点号、发送端可用信道列表和数据传输所需时间的RTS。

第二步、接收节点收到RTS后从RTS中的发送端可用信道列表中选择一条数据信道作为接收端可用信道，并向发送节点及该接收节点的所有邻居节点发送含有选择的数据信道、最优功率和数据传输所需时间的CTS，最后由收到CTS的节点更新其本身的邻居节点状态表。

第三步、接收节点进行冲突检测：

3.1)接收节点发送CTS后，该接收节点和收到CTS的发送节点进行冲突检测等待；

3.2)接收节点的1/2最大半径覆盖范围内的处于控制信道的邻居节点成为检测节点，执行接收端的冲突检测；

3.3)检测节点根据其本身的邻居节点状态表判断在检测范围内存在满足告警准则的节点时则检测节点以最优功率向接收节点发送极短的忙音信号，检测节点选择检测半径为R_D＝R，告警准则为检测范围内是否有冲突；

3.4)当接收节点收到极短的忙音告警信号时则向所有邻居节点发送cancel包取消通信，最后由收到cancel包的节点更新其本身的邻居节点状态表，发送节点收到cancel包则返回第一步重新竞争控制信道。

第四步、发送节点在接收端的冲突检测等待结束后向其所有邻居节点发送含有选择的数据信道、最优功率和数据传输所需时间的ACTS，由收到ACTS的节点更新其本身的邻居节点状态表。

第五步、发送节点进行冲突检测。

5.1)发送节点发送ACTS后，该发送节点和收到ACTS的接收节点进行冲突检测等待；

5.2)发送节点的1/2最大半径覆盖范围内的处于控制信道的邻居节点成为检测节点，执行发送端的冲突检测；

5.3)检测节点根据其本身的邻居节点状态表判断在检测范围内存在满足告警准则的节点时则检测节点以最优功率向发送节点发送极短的忙音信号，检测节点选择检测半径为R_D＝R，告警准则为检测范围内是否有冲突；

5.4)当发送节点收到极短的忙音告警信号时则向所有邻居节点发送cancel包取消通信，最后由收到cancel包的节点更新其本身的邻居节点状态表，发送节点则返回第一步重新竞争控制信道。

第六步、发送节点和接收节点在发送端的冲突检测时间结束后跳到相应的数据信道进行通信，发送节点和接收节点的邻居节点对该次通信启动定时器。

图2是本实施例的场景图。

图3是本实施例在数据包到达率从0.1个/秒到1000个/秒变化时，分别采用本实施例方案和对比方案的吞吐量曲线对比图。

图4是本实施例在数据包到达率从1个/秒到1000个/秒变化时，分别采用本实施例和对比方案的单个数据包能耗曲线对比图。

图5和图6是本实施例在数据包到达率从0.1个/秒到1000个/秒变化时，分别采用本实施例方案和对比方案的并发传输数和碰撞数曲线对比图。

由图3-6可见：结合功率控制的认知无线传感器网络MAC实现方法可以通过调节节点发射功率减小冲突域，降低平均竞争强度，增加数据信道的并发传输数，并且能够较好的解决多信道隐藏终端问题，减少碰撞发生，节省能耗，提高网络吞吐量。

Claims (9)

1.一种结合功率控制的认知无线传感器网络的MAC实现方法，其特征在于，通过使待传输数据的一对节点在控制信道协商选择数据信道，选择信道的过程中采用包含发送端冲突检测和接收端冲突检测的1/2最大半径覆盖范围联合冲突检测实现MAC；

所述的节点内设有邻居节点状态表，该邻居节点状态表包括：该节点与其邻居节点通信的最优功率以及各个邻居节点的工作状态，每个节点通过侦听控制信道更新自己的邻居节点状态表，并根据邻居节点状态以不产生干扰为准则获得可用信道列表。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的工作状态包括：邻居节点的当前所在信道、数据收发状态、当前通信的功率值以及通信剩余的时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的节点内设有定时器，当任一邻居节点启动数据通信时则启动定时器进行倒计时，当定时器减为0时则自动更新邻居节点状态表中对应该邻居节点的工作状态。

4.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征是，所述MAC实现方法具体包括以下步骤：

1)当一个节点存在待发送数据包时，该节点先按照IEEE802.11DCF的CSMA/CA机制在控制信道进行竞争，当竞争成功时则该节点向其位于传输路径上的邻居节点发送包含接收节点号以及传输功率的RTS；

2)首先收到RTS的节点根据接收的功率判定其与发送节点之间通信的最优功率值，并记录在该节点本身的邻居节点状态表中，然后由接收节点生成接收端可用信道列表，最后接收节点沿原路径向发送节点发送含有可用信道列表和最优功率值的CTS；

3)发送节点收到CTS后将CTS中的通信最优功率值记录在其本身的邻居节点状态表中，然后根据不产生干扰原则从CTS中的可用信道列表中选择一条数据信道作为发送端可用信道，并向接收节点以及发送节点的所有邻居节点发送含有选择的数据信道、通信最优功率和数据传输所需时间的RES，最后由收到RES的节点更新其本身的邻居节点状态表；

4)发送节点进行冲突检测；

5)接收节点在发送端的冲突检测等待结束后向其所有邻居节点发送含有确定后数据信道、通信最优功率和数据传输所需时间的ARES，最后由收到ARES的节点更新其本身的邻居节点状态表；

6)接收节点进行冲突检测；

7)发送节点和接收节点在发送端的冲突检测等待结束后跳到相应的数据信道进行通信，发送节点和接收节点的邻居节点对该次通信启动定时器。

5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征是，当发送节点已知和接收节点通信的最优功率时，所述的MAC实现方法包括以下步骤：

i)发送节点在控制信道竞争，当竞争成功后则该节点向其位于传输路径上的邻居节点发送包含接收节点号、发送端可用信道列表和数据传输所需时间的RTS；

ii)接收节点收到RTS后从RTS中的发送端可用信道列表中选择一条数据信道作为接收端可用信道，并向发送节点及该接受节点的所有邻居节点发送含有选择的数据信道、最优功率和数据传输所需时间的CTS，最后由收到CTS的节点更新其本身的邻居节点状态表；

iii)接收节点进行冲突检测

iv)发送节点在接收端的冲突检测等待结束后向其所有邻居节点发送含有选择的数据信道、最优功率和数据传输所需时间的ACTS，最后由收到ACTS的节点更新其本身的邻居节点状态表；

v)发送节点进行冲突检测

vi)发送节点和接收节点在发送端的冲突检测等待结束后跳到相应的数据信道进行通信，发送节点和接收节点的邻居节点对该次通信启动定时器。

6.根据权利要求5或6所述的方法，其特征是，所述的冲突检测包括以下步骤：

步骤一、当①接收节点发送CTS或ARES后或者②发送节点发送ACTS或RES后，该接收节点或发送节点进行冲突检测等待；

步骤二、步骤一中所述接收节点或发送节点的邻居节点根据接收到的CTS、ARES、ACTS或RES的功率大小判断其本身是否属于接收节点或发送节点的1/2最大半径覆盖范围内，即与接收节点或发送节点的距离是否小于1/2最大功率覆盖半径，在该范围内的邻居节点成为检测节点并且执行步骤三，否则不进行冲突检测；

步骤三、检测节点针对发送节点的冲突检测和接收节点的冲突检测采用不同的检测半径和告警准则，检测节点根据其本身的邻居节点状态表判断在检测范围内存在满足告警准则的节点时则检测节点以最优功率向发送节点或者接收节点发送极短的忙音信号，即冲突告警信号；

步骤四、当接收节点或发送节点收到极短的忙音告警信号时则向所有邻居节点发送cancel包取消通信，最后由收到cancel包的节点更新其本身的邻居节点状态表，当该节点为发送节点时则返回重新竞争控制信道。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的冲突检测等待是指：在设定的时间段内暂时不进行数据通信，接收邻居节点的冲突告警。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的告警准则是指：

a)当检测节点为接收节点进行冲突检测时，检测范围内是否有处于发送状态并且满足D＜d+r_I的节点，其中：D为检测节点与接收节点之间的距离，d为检测节点与该节点的距离，r_I为该节点的发射功率覆盖半径；

b)当检测节点为发送节点进行冲突检测时，检测范围内是否有处于接收状态的节点；

c)当检测节点对其最大功率覆盖范围内的各个节点的地理位置已知时，检测节点根据自己的邻居节点状态表和节点的地理位置信息可以正确判定是否会产生冲突。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的检测半径R_D是指：

a)当接收节点的邻居节点进行冲突检测时，R_D＝R-D，其中：D为检测节点与接收节点的距离，R为最大功率覆盖半径；

b)当发送节点的邻居节点进行冲突检测时，R_D＝D+R_I，其中：D为检测节点与发送节点的距离，R_I表示发送节点发射功率覆盖半径，且D＞R_I；

c)当发送节点的邻居节点进行冲突检测时，R_D∈[R_I-D，min{R-D，D+R_I}]，其中：D为检测节点与发送节点的距离，R_I表示发送节点发射功率覆盖半径，且D≤R_I；

d)当检测节点对其最大功率覆盖范围内的各个节点的地理位置已知时，R_D＝R。

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