CN103024748B - 基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法 - Google Patents

基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法 Download PDF

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Abstract

一种无线传感器网络技术领域的基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法，通过网络中的源节点和目的节点在控制信道中通过交换控制包以协商确定数据信道，然后通过在数据信道进行数据通信后进行信道状态更新处理得以实现。本发明针对目前无线设备在ISM频段的拥塞，同时频谱空洞不能得到有效利用以及低功耗的单天线无线传感器网络在ISM频段的共存问题，能保障无线传感器网络节点充分利用频谱资源，有效地接入到频谱空洞并最大限度地避免外界干扰，同时具有良好的吞吐量和时延性能，特别适用于低功耗的单天线无线传感器网络。

Description

基于控制信道的单天线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，具体是一种能够有效地提高无线传感器网络的吞吐量和时延性能，同时能够很好地避免其他网络的干扰，特别适用于在ISM公共频段工作的无线传感器网络的基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法。
背景技术
近些年来，工作在未授权频段的无线传感器网络(WSN)的应用越来越广泛。然而，有证据显示现有的未授权频段正变得越来越拥挤。另一方面，随着近期认知无线电(CR)技术的发展，人们可以将动态频谱接入(DSA)模型应用到无线传感器网络中，以接入到非拥塞的频段，或者拥有更好传播特性的频段。
动态频谱接入是资源受限的多跳无线传感器网络中的一种有前途的和频率高效的通信方法。这决定于无线传感器网络的事件驱动的通信特点，即无线传感器网络总是产生类似于事件特征的突发数据流。另外，动态频谱接入也可以帮助多覆盖的传感器网络实现调度，并可以消除碰撞和大密度的节点部署引起的过竞争时延。Akan O.B.和Karli O.B.在参考文献“CognitiveRadio Sensor Networks(认知无线电传感器网络)”中公开了CRSN的设计准则，潜在优势，应用领域和网络架构。作者讨论了现有的为认知无线电网络和无线传感器网络设计中的通信协议和算法并研究了实现CRSN的方法。作者还公开了各种频谱感知技术的概况。
现有的很多DSA算法都引入了一个公共控制信道(CCC)来进行协商。在公共控制信道上使用控制信号来协调通信过程。Zhiwu L.和Wei W.在参考文献“A Dynamic Multi-radioMulti-channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks(一种动态的多天线多信道无线传感器网络MAC协议)”中，提出了无线传感器网络中的一种动态多天线多信道介质接入控制(DMMA)算法。这种算法可以根据频谱环境的变化动态地选择信道，还能使网络更容易抵抗来自外部环境的干扰。同时，考虑到能量效率，DMMA使用一种睡眠机制来减少能量消耗。在DMMA算法中，节点使用两个天线，一个被称为控制天线，另一个是数据天线。控制天线用来发送控制消息并工作在控制信道。数据天线用来发送数据并可以工作在多个数据信道上面。该方案当控制信道是固定的，并不受外部环境的干扰。作者使用RTS/CTS机制来协商数据传输过程，并且在RTS/CTS中加入了空闲信道信息。
还有学者提出了一些不需要公共控制信道的动态频谱接入算法。Hang S.和Xi Z.在参考文献“Channel-hopping based single transceiver MAC for cognitive radio networks(基于跳频的单天线认知无线电网络MAC协议)”中提出了同步无线网络中的基于跳频的认知无线电介质接入控制(MAC)协议。在该网络中，次用户能够在不对主用户产生干扰的前提下，适时地利用空闲的授权频段。根据作者提出的方案，次用户根据它们自身的跳频序列在授权频段不断切换信道。特别地，当某个次用户源节点想要给某个次用户目的节点发送数据包时，该源节点根据目的节点的跳频序列改变自己的信道切换规则。只要目的节点的信道当前没有被主用户使用，源节点和目的节点就能够达成协商，并传输数据包。
在以前的对动态频谱接入算法的研究中，使用控制信道的算法通常都需要双天线，一个天线用来侦听控制信道，另一个用来侦听数据信道。而使用跳频法的动态频谱接入算法对硬件的要求比较高，同时具有很高的能耗，这两种方法都不适用于普通的单天线低功耗的无线传感器网络。因此，在低功耗的单天线无线传感器网络中实现简单高效可行的动态频谱接入算法，使之能够很好地接入频谱空洞，避免其他网络干扰，又具有很好的吞吐量时延性能，有着十分广阔的应用空间。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法，针对目前无线设备在ISM频段的拥塞，同时频谱空洞不能得到有效利用以及低功耗的单天线无线传感器网络在ISM频段的共存问题，该方法能保障无线传感器网络节点充分利用频谱资源，有效地接入到频谱空洞并最大限度地避免外界干扰，同时具有良好的吞吐量和时延性能，特别适用于低功耗的单天线无线传感器网络。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过网络中的源节点和目的节点在控制信道中通过交换控制包以协商确定数据信道，然后通过在数据信道进行数据通信后进行信道状态更新处理得以实现。
所述的网络由若干个节点、不受其它网络或用户干扰的一个公共的控制信道和若干个相互间等价且具有相同的带宽的数据信道组成。
所述的节点内设有定时器和存有可用信道列表以及包含各个数据信道的信道优先级权重的数据库。
所述的控制包包括：RTS(请求发送)包、CTS(清除发送)包和BCTS(广播清除发送)包，其中：
所述的RTS包内包含源节点的可用信道列表以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T11和占用数据信道的时间T21；
所述的CTS包内包含目的节点选定的数据信道号以及预估的需要占用控制信道的时间T12和占用数据信道的时间T22；
所述的BCTS包内包含目的节点选定的数据信道号，以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T13和占用数据信道的时间T23。
所述的协商确定是指：源节点通过CSMA/CA(载波侦听多点接入/冲突检测)机制竞争到控制信道之后向目的节点发送一个RTS包；当目的节点在收到RTS包之后，回给源节点一个CTS包；源节点在收到CTS包之后反馈给目的节点一个BCTS包并且网络中所有节点根据CTS包或BCTS包进行可用信道列表更新。
所述的CTS包内的目的节点选定的数据信道通过以下方式获得：首先目的节点根据源节点的可用信道列表和目的节点本身的可用信道列表的交集作为可选的信道集，然后选取交集中对应源节点的信道优先级权重最大的信道作为选定的数据信道。
所述的信道优先级权重通过读取各个节点的数据库获得。
所述的可用信道列表更新是指：当网络中的节点在控制信道上侦听到CTS包或BCTS包后：①根据T12或T13更新该节点本身的NAV(网络分配矢量)并标记控制信道在该对应的时间段内忙；
②根据T22或T23更新选定的数据信道对应的定时器，并标记该数据信道在该对应的时间段内不可用，继而更新该节点本身的可用信道列表。
所述的网络分配矢量是指：用于指示控制信道忙闲状态的定时器。
所述的更新该节点本身的可用信道列表是指：根据该节点的当前状态，以以下条件更新多维数组，该多维数组的维数等于数据信道的总数：当该数据信道对应的定时器超时，则判定该数据信道可用，并标注其所对应的数组的元素为1；否则则标注为0。
所述的信道状态更新处理是指：源节点和目的节点在通信结束后返回至控制信道，并更新各自对于对方节点的信道优先级权重。
所述的对于对方节点的信道优先级权重是指：最近若干次与该对方节点在一数据信道上的通信结果的回报均值，具体为：对于任一节点，在数据信道j上对于该节点的邻居节点i的优先级权重为：其中：T为时间窗口长度，为该节点在第t个时间点上和邻居节点i通信的结果在信道j上的回报，并且：其中：A和B均为正值常数。
本发明能够使得节点能够充分掌握和利用周围的频谱资源信息，通过侦听控制信道上的控制包，节点能够更新自己的可用信道列表。在此基础上，为了选择最优的数据信道进行通信，本发明通过将历史通信转化为优先级权重进行加成，以进一步提高信道利用率。
附图说明
图1为本发明的控制包结构。
图2为本发明实施的一个场景图。
图3为本发明在平均包时延方面的性能比较图。
图4为本发明在吞吐量方面的性能比较图。
图5为本发明在丢包率方面的性能比较图。
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
应用场景：如图2所示，由两个相互干扰的单天线无线传感器网络组成，其中：每个单天线无线传感器网络各有32个节点，网络的数据流向为偶数号节点到奇数号节点，节点的覆盖范围为30m，同一网络内的相邻两个节点距离为24m。两个网络各有一个不受外界干扰的公共控制信道，同时两个网络共用5个数据信道。我们考察红色网络的性能。以图中18号节点为例，蓝色网络中的10，14，18，22，26号节点可能会对它产生干扰。
本实施例通信方式具体如下：
第一步、信道选择阶段：
当18号节点有数据包要发给19号节点。通过CSMA/CA机制竞争到控制信道之后，18号节点给19号节点发送一个RTS包。该RTS包内包含18号节点的可用信道列表，以及它预估的需要占用控制信道的时间T11和占用数据信道的时间T21。
19号节点在收到RTS包之后，回给18号节点一个CTS包。该CTS包内包含19号节点选定的数据信道号以及预估的需要占用控制信道的时间T12和占用数据信道的时间T22。其中，T12为T11减去CTS包的发送时间和帧间间隔，T22为T21减去CTS包的发送时间和帧间间隔。19号节点选择数据信道的过程为：首先，19号节点找到18号节点的可用信道列表和自己的可用信道列表的交集；然后，19号节点查看数据库中针对18号节点的信道优先级列表；最后，19号节点选择上述交集中优先级权重最大的信道作为通信所用的数据信道。
18号节点在收到CTS包之后，回给19号节点一个BCTS(Broadcast CTS)包。该BCTS包内包含19号节点选定的数据信道号，以及18号节点预估的需要占用控制信道的时间T13和占用数据信道的时间T23。其中，T13为T12减去BCTS包的发送时间和帧间间隔，T23为T22减去BCTS包的发送时间和帧间间隔。
第二步、可用信道列表更新阶段：
红色网络内的11，14，15，22，23，27号节点在侦听到CTS包后，根据CTS包内的T12更新自己的NAV(网络分配矢量)，指示在后面的T12时间内控制信道忙；根据CTS包内的T22和选定的数据信道号更新该数据信道的定时器，指示在后面的T22时间内该数据信道忙。10，13，14，15，17，21，22，23，26号节点在侦听到BCTS包后，根据BCTS包内的T13更新自己的NAV(网络分配矢量)，指示在后面的T13时间内控制信道忙；根据BCTS包内的T23和选定的数据信道号更新该数据信道的定时器，指示在后面的T23时间内该数据信道忙。
第三步、通信以及信道优先级权重更新阶段：
18号节点在发送完BCTS包后切换到选定的数据信道，19号节点在收到BCTS后也切换到该数据信道。18号节点和19号节点切换到数据信道后，首先检测信道状态，如果检测到该数据信道忙，则取消通信并返回控制信道，否则留在该数据信道通信。通信结束后，18号节点和19号节点都返回到控制信道，并各自根据前述公式更新对对方节点的信道优先级列表。
在本实施例中采用如下方案：若通信成功，则在该信道上的回报值为1，若通信失败，则在该信道上的回报值为-N，其中：
其中：为向下取整符号，psafe为通信成功的概率，pcollision为通信失败的概率，T为一次数据通信的平均时长，λ为干扰源的数据包到达率，n为干扰源的个数。节点在通信成功或者失败超时后均返回控制信道。
通过仿真实验评价本实施例在接入到最佳空闲信道和避免外界干扰方面的性能，具体如下：
图3给出了本实施例(DSA)和单天线随机接入方案(Rand Access)在平均包时延方面的性能比较图。图4给出了本实施例(DSA)和单天线随机接入方案(Rand Access)在吞吐量方面的性能比较图。图5给出了本实施例(DSA)和单天线随机接入方案(Rand Access)在丢包率方面的性能比较图。从图中可以看出，在多个网络共存环境下，本实施例算法相对于单天线随机接入算法有更好的网络性能。在单天线随机接入算法中，网络吞吐量在数据包到达率增加到10包/秒后开始饱和，时延和丢包率开始急剧曾大；而在本DSA算法中，网络吞吐量在数据包到达率增加到20包/秒后才开始饱和，时延和丢包开始加速增大。这是由于本方案从分利用了先验知识，对于信道具有更优的选择性，从而有效地避免了碰撞，减少了重传带来的时延增加和丢包。同时，饱和时，本实施例方案还具有更高的吞吐量，这可以很好地提高资源受限网络的频谱利用率。从图中可以看出，本DSA算法具有更好的频率选择性，能够自适应地接入到不太拥挤的频段进行通信，避免外部网络的干扰，从而提高网络的整体性能，同时具有低开销和易实现等特点，有着良好的经济效益和应用前景。

Claims (9)

1.一种基于控制信道的单天线无线传感器网络动态频谱接入方法，其特征在于，通过网络中的源节点和目的节点在控制信道中通过交换控制包以协商确定数据信道，然后通过在数据信道进行数据通信后进行信道状态更新处理得以实现；
所述的控制包包括：RTS包、CTS包和BCTS包，其中：
所述的RTS包内包含源节点的可用信道列表以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T11和占用数据信道的时间T21；
所述的CTS包内包含目的节点选定的数据信道号以及预估的需要占用控制信道的时间T12和占用数据信道的时间T22；
所述的BCTS包内包含目的节点选定的数据信道号，以及源节点预估的需要占用控制信道的时间T13和占用数据信道的时间T23；
所述的CTS包内的目的节点选定的数据信道通过以下方式获得：首先目的节点根据源节点的可用信道列表和目的节点本身的可用信道列表的交集作为可选的信道集，然后选取交集中对应源节点的信道优先级权重最大的信道作为选定的数据信道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的协商确定是指：源节点通过CSMA/CA机制竞争到控制信道之后向目的节点发送一个RTS包；当目的节点在收到RTS包之后，回给源节点一个CTS包；源节点在收到CTS包之后反馈给目的节点一个BCTS包并且网络中所有节点根据CTS包或BCTS包进行可用信道列表更新。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的信道优先级权重通过读取各个节点的数据库获得。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的可用信道列表更新是指：当网络中的节点在控制信道上侦听到CTS包或BCTS包后：
①根据T12或T13更新该节点本身的NAV，即网络分配矢量并分配控制信道在该对应的时间段内忙；
②根据T22或T23更新选定的数据信道对应的定时器，并标记该数据信道在该对应的时间段内不可用，继而更新该节点本身的可用信道列表。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的网络分配矢量是指：用于指示控制信道忙闲状态的定时器。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的更新该节点本身的可用信道列表是指：根据该节点的当前状态，以以下条件更新多维数组，该多维数组的维数等于数据信道的总数：当该数据信道对应的定时器超时，则判定该数据信道可用，并标注其所对应的数组的元素为1；否则则标注为0。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的信道状态更新处理是指：源节点和目的节点在通信结束后返回至控制信道，并更新各自对于对方节点的信道优先级权重。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的对于对方节点的信道优先级权重是指：最近若干次与该对方节点在一数据信道上的通信结果的回报均值。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征是，所述的对于对方节点的信道优先级权重具体为：对于任一节点，在数据信道j上对于该节点的邻居节点i的优先级权重为：其中：T为时间窗口长度，为该节点在第t个时间点上和邻居节点i通信的结果在信道j上的回报，并且：其中：A和B均为正值常数。
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