CN105188117B - 时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，本发明在簇中为每一个无线传感器，即节点分配上传数据时间片，节点在其对应的时间片内上传数据，其他时间处于休眠状态，降低了簇内信道竞争，充分利用了频谱资源，大大降低了功耗。对于每一个簇，其簇头根据簇头与该簇内各节点的距离，按照占用空域变化趋势不同进行差异化的节点时间片分配，最大程度上进行空间复用，从而大大降低邻近簇之间的相互干扰，同时充分利用了频谱资源。本发明的方法针对数据上传过程中遇到冲突的问题设计了信道频谱转换接入方法，减少信道竞争与等待时间，提高了网络通讯的能量利用效率，在延长网络生命周期的同时保证了数据上传的准确、高效和完整。

Description

时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法

技术领域

本发明属于频谱接入技术领域，更具体涉及一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法。

背景技术

农田无线传感器网络是精准农业中对农田环境进行监测与控制的关键技术之一。针对大规模农田无线传感器网络的特点，感知节点如何高效地进行网络接入与数据传输是影响系统性能的关键与研究的重点。对于农田无线传感器网络而言，网络规模大与节点密度高并存，由于无线通信在某一既定范围内仅有唯一的共有无线信道，所以在组网过程中若大量网络节点同时进行网络接入，信道冲突会十分激烈。

目前的频谱分配方法主要是基于固定分配方式，即某一无线频谱块分配给某一特定的无线接入网络，然后再把这个无线频谱块分为若干个频谱子块，彼此之间间隔一个固定大小的保护频段。这种固定频谱分配的方式虽然对于频谱管理非常简单，但而研究表明，有相当一部分频谱在时间上和空间上并未得到充分利用，传统的固定频谱分配方法降低了频谱利用率。

针对频谱资源不够用以及固定频谱分配方式存在的频谱浪费的问题，学者对动态频谱接入进行了研究。动态频谱接入方法是主要是在CSMA/CA的基础上，采用动态频谱接入的方式进行冲突消减以取代在单纯时间上的回退。CSMA/CA实际上就是在发送数据帧之前利用RTS、CTS控制帧先对信道进行预约，虽然控制帧的长度很短，需要节点在主信道进行统一帧听和竞争，节点根据主信道的占用侦测情况判断是否进行频带切换。对于无线传感器网络而言，大量节点长时间侦听信道造成大量能量浪费。

现有技术中的动态频谱接入方法主要针对通用无线通信领域，如蜂窝通信等，没有考虑到无线传感器网络超高节点密度的特点。现有技术中的动态频谱接入重点研究改进的是信道利用率，而未将设备或节点的能耗作为优化指标进行考量。其中，所采用的侦听等待机制需要大量节点长时间侦听信道，能耗效率低，不适合于能量受限的农田无线传感器网络应用场景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何在农田无线传感器接入的过程中，充分利用频谱资源、保证网络性能的同时，减少信道侦听与能量消耗。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，所述方法包括以下步骤：

S1、成簇首轮，节点按预定的时间唤醒，并接入对应的簇，之后进行数据上传；

S2、对于每一个簇，所述簇头根据其接收到的各个节点的数据，确定其与该簇内各节点的距离，将该簇内的节点分为主要用户和次要用户；

S3、对于每一个簇，活动时段包括竞争接入时段以及补充传输时段；所述簇头根据所述簇头与该簇内各节点的距离，在所述竞争接入时段内，按照从远至近或从近至远的顺序依次为该簇内的每一个节点分配上传数据时间片；

S4、对于簇内每一个节点，在完成向簇头的数据上报后，接收对应簇头广播的上传数据时间片分配信息，之后转入休眠状态；

S5、所述成簇首轮之后的其他数据上传轮次，对于簇内每一个节点，在为其分配的上传数据时间片内，该节点唤醒，扫描预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传，上传完毕后进入休眠状态，若所述预设信道被占用，则转入步骤S6；

S6、该节点选择其他信道中被占用概率最小的信道作为所述预设信道，并转入步骤S5；

S7、所述步骤S5中，在该节点行数据上传时，若出现冲突，则判断该节点是否为主要用户，若该节点是主要用户，则该节点重新传输冲突数据，若重新上数据数时再次出现冲突，则转入所述步骤S6；若该节点是次要用户，则该节点放弃数据上传，进入休眠状态，并在所述补充传输时段内进行数据上传。

优选地，所述步骤S1中，节点接入对应的簇之前，所述方法还包括以下步骤：

1个或多个簇头分别在预定成簇半径内广播成簇信息，接收到所述成簇信息的节点感知所述成簇信息的信号强度，并调整自身发射功率，使对应的簇头在该节点的通信半径内的边缘；之后该节点反馈请求接入信息；对应的簇头接收所述请求接入信息，并根据所述请求接入信息的信号强度调整自身发射功率，使所述节点在对应簇头的通信半径的内边缘，实现该节点的接入。

优选地，所述步骤S2中，若节点与对应簇头的距离小于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为次要用户；若节点与对应的簇头的距离大于或等于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为主要用户。

优选地，所述步骤S1中，在成簇过程中，若一个簇头接收到其他簇头的成簇信息时，则当前簇头进行频谱感知，寻找并转移到空闲信道成簇。

优选地，所述步骤S3中，所述簇头在每个所述上传数据时间片之后设置了一个保护时间片。

优选地，所述步骤S5中，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传之前，所述方法还包括以下步骤：

该节点按照概率P直接进行数据上传，并在概率1-P下，该节点以二进制指数回退方式进行延时，并在下一个时槽再次扫描所述预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点直接进行数据上传，若所述预设信道被占用，则转入所述步骤S6；其中该节点对应的上传数据时间片包括多个时槽。

优选地，所述步骤S6中，利用下面的公式计算信道被占用的概率：

P_r＝arg max f(p)

式中，P_r表示第r条信道被占用的概率；argmax表示极大似然估计；

式中，β表示该节点在其对应的上传数据时间片内进行通信的时间的倒数、α表示该节点在其对应的上传数据时间片内等待的时间的倒数；Cn[i,r]表示该节点在第r条信道上的累计冲突次数；Cn[j,r]表示该节点所属簇的簇头在第r条信道上的累计冲突次数；i为该节点的编号；j为该节点所属簇的簇头的编号。

优选地，所述步骤S7中进一步包括以下步骤用于实现在所述补充传输时段内上传数据：

所述补充传输时段开始时，所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次要用户唤醒，对应簇的簇头为该簇内所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次要用户分配再次上传时间片，并广播所述再次上传时间片的分配信息；

所述次要用户接收簇头广播的再次上传时间片的分配信息，之后进入休眠状态，并在为其分配的所述再次上传时间片内进行数据上传，其余时间所述次要用户保持在休眠状态。

优选地，所述簇头根据各个次要用户的剩余能量，按照从低到高的顺序依次为各个次要用户分配再次上传时间片。

优选地，每个所述节点均存储为其分配的上传数据时间片、与对应簇头的距离、用户类型、所属簇头的编号、上一次的通信信道、自身的编号以及在各信道的冲突累计次数；

每一个所述簇头均存储其所属簇的簇内节点个数、其与对应簇内各个节点的距离、其通信功率、其所属簇的簇内各个节点的剩余能量以及其所属簇的簇内各个节点自身所存储的信息。

(三)有益效果

本发明提供了一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，本发明在簇中为每一个无线传感器，即节点分配上传数据时间片，节点在其对应的时间片内上传数据，其他时间处于休眠状态，降低了簇内信道竞争，充分利用了频谱资源，大大降低了功耗。另外，对于每一个簇，其簇头根据簇头与该簇内各节点的距离，按照占用空域变化趋势不同进行差异化的节点时间片分配，最大程度上进行空间复用，从而大大降低邻近簇之间的相互干扰，同时充分利用了频谱资源。同时本发明的方法针对数据上传过程中遇到冲突的问题设计了信道频谱转换接入方法，减少信道竞争与等待时间，提高了网络通讯的能量利用效率，在延长网络生命周期的同时保证了数据上传的准确、高效和完整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个较佳实施例的时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法流程图；

图2为本发明中簇的结构示意图；

图3a、3b为本发明中簇间干扰示意图；

图4为本发明中信道示意图；

图5为本发明的另一个较佳实施例的时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1、成簇首轮，节点按预定的时间唤醒，并接入对应的簇，之后进行数据上传；其中，上传的数据包括环境数据与节点参数，并且节点数据中包括该节点与对应簇头的距离；

S2、对于每一个簇，所述簇头根据其接收到的各个节点的数据，确定其与该簇内各节点的距离，将该簇内的节点分为主要用户和次要用户；

S3、对于每一个簇，活动时段包括竞争接入时段以及补充传输时段；所述簇头根据所述簇头与该簇内各节点的距离，在所述竞争接入时段内，按照从远至近或从近至远的顺序依次为该簇内的每一个节点分配上传数据时间片；

此步骤中，相邻的簇开始上传数据时，不一定是都从距离对应簇头最远或最近的节点开始，即若一个簇开始接入信道的节点是距离对应簇头最远的节点，与其相邻的簇开始接入信道的节点是距离对应簇头最近的节点，如图3a、3b所示，这样相邻簇间的信道占用重叠会大大减小，从而降低了簇间干扰；图3a中1为n1节点通信干扰区，n2节点被n1节点干扰，所以作为次要用户的n2停止通信转入补充传输时段进行通信；图3b中n3节点和n4节点相互处于对方的干扰区域，需要进行信道转换；

此步骤中，选择从最远的节点接入还是最远的节点接入是随机的，概率都是50％；

S4、对于簇内每一个节点，接收对应簇头广播的上传数据时间片分配信息，之后转入休眠状态；

S5、所述成簇首轮之后的其他数据上传轮次，对于簇内每一个节点，在为其分配的上传数据时间片内，优选地，在上传数据时间片开始时，该节点唤醒，扫描预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传，上传完毕后进入休眠状态，若所述预设信道被占用，则转入步骤S6；

S6、该节点选择其他信道中被占用概率最小的信道作为所述预设信道，并转入步骤S5；

S7、所述步骤S5中，在该节点行数据上传时，若出现冲突，则判断该节点是否为主要用户，若该节点是主要用户，则该节点重新传输冲突数据，若重新上数据数时再次出现冲突，则转入所述步骤S6；若该节点是次要用户，则该节点放弃数据上传，进入休眠状态，并在所述补充传输时段内进行数据上传。

本发明在簇中为每一个节点分配上传数据时间片，节点在其对应的时间片内上传数据，其他时间处于休眠状态，实现了多个节点的动态接入，降低了簇内信道竞争，保证网络性能，充分利用了频谱资源，并且接入信道之前不用在线侦听，大大降低了功耗。同时本发明的方法设计了补充传输时段，上传次要用户由于信道干扰导致的上传失败；针对数据上传过程中遇到冲突的问题设计了信道转换方法，保证了数据上传的准确性和完整性。另外，对于每一个簇，其簇头根据簇头与该簇内各节点的距离，按照占用空域变化趋势不同进行差异化的节点时间片分配，最大程度上进行空间复用，从而大大降低邻近簇之间的相互干扰，同时充分利用了频谱资源。同时本发明的方法针对数据上传过程中遇到冲突的问题设计了信道频谱转换接入方法，减少信道竞争与等待时间，提高了网络通讯的能量利用效率，在延长网络生命周期的同时保证了数据上传的准确、高效和完整。

进一步地，所述步骤S1中，节点接入对应的簇之前，所述方法还包括以下步骤：

1个或多个簇头分别在预定成簇半径内广播成簇信息，接收到所述成簇信息的节点感知所述成簇信息的信号强度，并调整自身发射功率，使对应的簇头在该节点的通信半径内的边缘处，优选地使对应的簇头在以该节点为圆心，以该节点的通信半径为半径作组成的圆的圆周上(即使对应的簇头恰好在该节点的通信半径内)；之后该节点反馈请求接入信息；对应的簇头接收所述请求接入信息，并根据所述请求接入信息的信号强度调整自身发射功率，使所述节点在对应簇头的通信半径内的边缘处，优选地使节点在以对应的簇头为圆心，以该簇头的通信半径为半径作组成的圆的圆周上(即使使节点恰好在该簇头的通信半径内)，实现该节点的接入。

在大规模农田自组织网络应用中，节点(即无线传感器)先按既定方法进行网络簇头选择与成簇，其中上述既定成簇方法包括以下步骤：

步骤S1：根据节点能量感知进行投票，确定簇头。其中，节点根据完成组网采集上传的顺序不同先后进入休眠状态。

具体地，所有节点同时开始进行簇头选举，按节点剩余能量高低在邻居节点中选取剩余能量最高者进行投票，各节点将所得票数进行拓扑密度加权，最终票数最多的节点成为簇头。周边节点选择可达簇头加入该簇，该过程中还包括能量逼近式簇头轮换机制。

步骤S2：簇头接收预设阈值内的节点加入，进行成簇操作。

步骤S3：对于未完成成簇操作的节点按预计方法成为簇内子节点。

具体地，对于未完成成簇操作的节点以平面扩散路由方式搜索网络接入点，并成为接入点所在簇的簇内子节点。

步骤S4：在簇内子节点中选取能量优势节点作为伪簇头。

步骤S5：根据簇头与伪簇头进行反向扩散组网。

步骤S6：所有节点通过组网路由进行环境信息采集与上报。

步骤S7：判断是否有簇头达到能量逼近目标。

进一步地，步骤S7进一步包括：

步骤S71：簇头根据选举过程中收集的簇内节点能量信息计算节点初始平均能量。

步骤S72：簇头以簇内节点初始平均能量为逼近目标。

步骤S73：每轮数据采集结束，所有簇头判断自身当前能量是否大于逼近目标。

步骤S74：若任意一个簇头剩余能量不大于逼近目标，则向汇聚节点发送簇头轮换消息。

进一步地，当某节点S_i第一次当选簇头时，根据选举过程中收集的簇内节点能量信息求得节点初始平均能量，记为簇头S_i以节点初始平均能量为逼近目标，每轮数据采集结束时，所有簇头判断自身当前能量是否大于逼近目标，即如有任意一簇头不满足该条件，则向汇聚节点发送簇头轮换消息，下一轮采集开始时进行簇头轮换选举，如所有节点均满足该条件，则保持当前簇头不变；若进行簇头轮换选举，则按拓扑密度关联的能耗感知动态成簇阶段的成簇及簇头选举方法进行，成簇完成后跳转到最开始的过程继续簇头能量逼近。

步骤S8：若存在簇头达到能量逼近目标，则标记下一轮进行簇头选举，结束本轮采集，若不存在簇头达到能量逼近目标，则本轮采集结束。即簇头节点与汇聚节点组成主干网络，从汇聚节点自上而下进行反向扩散，由汇聚节点发出报文，一跳簇头接收到报文后，记录自身路由信息，并继续转发报文，直到所有簇头节点加入主干路由。

由上述方法可以得出节点可能只担任依次簇头，也可能连续多轮担任簇头，在触发簇头轮换条件后按既定规则选择新簇头，或是采用可再生能源节点长时间连续担任簇头，在异常天气持续时才进行簇头转换。成簇时，若某节点成簇半径内有多个可达簇头，则选择距节点最近的簇头加入。

步骤S1可以具体为：若本轮为簇头选举后的首轮，则簇头随机选取一个信道并以预定成簇半径Rclsuter作为通信半径周期性广播成簇消息，成簇消息长度为1个时间槽，各簇头广播成簇消息的重复周期为n_i个时槽周期，n_i为取值在[n_min,n_max]之间的随机整数，其中的n_i-1个时槽周期为接收簇内节点接入时间。若为首轮成簇，则节点休眠预定时间，之后唤醒并接入对应的簇，上传数据后，接收对应簇头广播的上传数据时间片分配信息。其中各个节点的休眠的预定时间为

T_sleep＝(ID％10)T_slot

式中，(ID％10)表示节点ID对10取余，T_slot为1个时槽周期的时间长度。ID表示节点的编号。当然也可以不根据ID确定休眠时间，只要根据节点接入簇的时间确定休眠时间即可。

其中，各节点接入对应簇包括以下步骤：

某节点i按预定的时间唤醒后，随机选择信道扫描接收成簇消息，若在n_i个时槽周期中仍未收到成簇消息，则选择其他信道进行接收。若接收到簇头的成簇消息Cluster_Msg，则根据感知到的信号强度，节点调整其发射功率，并发送请求加入消息Join_Msg。调整后的发射功率保证簇头恰好在节点i的通信半径内，请求加入消息Join_Msg中包含发射功率强度信息。簇头接收到Join_Msg消息后，根据功率强度信息调整其发射功率，使得簇头和节点i恰好相互在对方的通信半径内，减小发射信号对其他区域节点通信的影响。节点i与簇头均保存与对方通信的信道、功率信息。节点成功加入簇后，进行本轮数据上传，在加入簇或首次数据上传过程采用CSMA/CA方式进行防冲突。

进一步地，所述步骤S2中，若节点与对应簇头的距离小于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为次要用户；若节点与对应的簇头的距离大于或等于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为主要用户。

当簇头以预定成簇半径为通信半径广播成簇消息时，节点i接收到的信号强度与其与簇头间的距离正相关(一般与距离的平方成正比)，所以簇头可根据节点i返回的功率强度信息判断其与节点i的距离D(nodei,CH)并保存。

上述步骤S2，按照节点距簇头的距离区分主要用户与次要用户，若D(node_i,CH)<0.5*Rclsuter则为次要用户，若D(node_i,CH)≥0.5*Rclsuter则为主要用户。因为当D(nodei,CH)<0.5*Rclsuter时，占用当前信道的空间区域完全包含在当前簇头的通信半径圆内，对相邻簇内的节点通信造成影响的概率很低，受到其他簇节点通信的干扰页相对较小。而对于D(node_i,CH)≥0.5*Rclsuter的节点，其通信时的干扰范围较大，却不能有效的发现对其他节点(尤其是次要用户节点)的干扰，所以在本发明中，将节点进行分类主要用于优先保证只要用户正常通信。

另外，此步骤将节点进行分类，之后根据类型的不同采用不同的处理方式，液可以在保证传输速率的同时保证数据的完整性。

进一步地，所述步骤S1中，在成簇过程中，若一个簇头接收到其他簇头的成簇信息时，则当前簇头随机选择一个其他信道进行频谱感知，若发现信道仍被占用，则继续感知，直到找到一个空闲的信道，并转换至该信道继续工作。同时记录信道占用信息，如簇头j在信道r的冲突数加1，CC[j,r]＝CC[j,r]+1。

此步骤中，一个簇的形成过程中出现干扰，则由簇头进行频谱转换，不用每个节点都进行侦听，降低了功耗，同时降低了簇间干扰，保证了网路性能。

进一步地，假定农田节点网络中共有N个可用信道，如图4所示，图中2、3、4、5均为信道，所有信号通信的最小时间片为1个时槽(等于上述上传数据时间片)，每个通信时槽后跟随1个较短的保护时间片，如图2所示，在保护时间片内节点不发起通信。保护时间片的设置保证了数据传输的准确性。

从图2可以得到簇的采集周期包括休眠时段和活动时段，活动时段包括竞争接入时段、补充传输时段以及簇头初始化/竞争时段，其中竞争接入时段又包括上传数据时间片以及保护时间片，每个上传数据时间片暴扣多个时槽。每个上传数据时间片分配给一个节点，用于进行数据上传。

进一步地，所述步骤S5中，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传之前，所述方法还包括以下步骤：

该节点按照概率P直接进行数据上传，并在概率1-P下，该节点以二进制指数回退方式进行延时，并在下一个时槽再次扫描所述预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点直接进行数据上传，若所述预设信道被占用，则转入所述步骤S6；其中该节点对应的上传数据时间片包括多个时槽。

进一步地，所述步骤S6中，利用下面的公式计算信道被占用的概率：

P_r＝argmaxf(p)

式中，P_r表示第r条信道被占用的概率；argmax表示极大似然估计；

式中，β表示该节点在其对应的上传数据时间片内进行通信的时间的倒数、α表示该节点在其对应的上传数据时间片内等待的时间的倒数；Cn[i,r]表示该节点在第r条信道上的累计冲突次数；Cn[j,r]表示该节点所属簇的簇头在第r条信道上的累计冲突次数；i为该节点的编号；j为该节点所属簇的簇头的编号。

利用上面的方法在出现信道冲突时重新选择信道可以最大效率得找到合适的信道，提高频谱接入效率。

进一步地，所述步骤S7中进一步包括以下步骤用于实现在所述补充传输时段内上传数据：

所述补充传输时段开始时，所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次要用户唤醒，对应簇的簇头为该簇内所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次要用户分配再次上传时间片，并广播所述再次上传时间片的分配信息；

所述次要用户接收簇头广播的再次上传时间片的分配信息，之后进入休眠状态，并在为其分配的所述再次上传时间片内进行数据上传，其余时间所述次要用户保持在休眠状态。

补充传输时段的设计保证了数据上传的完整性，同时提高了频谱接入的效率。

进一步地，所述簇头根据各个次要用户的剩余能量，按照从低到高的顺序依次为各个次要用户分配再次上传时间片。

进一步地，每个所述节点均存储为其分配的上传数据时间片、与对应簇头的距离、用户类型、所属簇头的编号、上一次的通信信道、自身的编号以及在各信道的冲突累计次数；

每一个所述簇头均存储其所属簇的簇内节点个数、其与对应簇内各个节点的距离、其通信功率、其所属簇的簇内各个节点的剩余能量以及其所属簇的簇内各个节点自身所存储的信息。

上述方法针对大规模农田节点网络特点，采用信道检测与统计学习的方法，对接入频谱进行选择与学习。充分利用有限的频谱资源，并采用统计学习的方法减少频谱切换的频度，使得同一频带信道可以在间隔的空间区域重复利用。

传统技术在保障信道频谱利用率与网络通信速率优化中并未充分考虑能耗问题。上述方法通过为节点设计上传数据时间片，实现干扰簇的频谱无等待切换。最终减少所有网络节点的信道侦听等待时间与冲突竞争机率，减少对电池电量的实际消耗，延长节点生存周期。另外，上述方法采用簇间差异化功率控制的方法(步骤S3中时间片的分配方法)，以达到某时刻各簇间竞争区域重叠最小，将节点间竞争降至最低，实现不同簇间节点并行接入的目的。

下面结合具体的实施例进行说明。

如图5所示，首先判断是否为成簇首轮(即成簇过程)，若是成簇首轮进行簇头选举，选出的簇头随机选择信道。并周期广播成簇信息；若在接收节点接入时收到其他簇头成簇信息，则当前簇头随机选择其他信道进行感知，直到找到空闲的信道，当前簇头转换至该空闲自导并记录信道的占用信息，之后接入的节点进行数据上传。若在接收节点接入时没有收到其他簇头成簇信息，则接入的节点进行数据上传。成簇之后由簇头为每个节点分配上传数据时间片。

若不是成簇首轮，在进行第二伦(成簇首轮之后的数据传输)数据上传时(第二次数据上传)，操作步骤，如下：

1、某节点按为其分配的上传数据时间片唤醒后，对预设信道进行扫描，若该信道空闲则按概率p直接开始接入与数据上传，在概率q＝1-p的机率下，则以二进制指数回退方式延时后，由下一个时槽开始时再次频谱感知，如图5所示。若空闲则跳转到步骤4，若信道被占用，则按预设规则进行频谱扫描与信道转换，转入步骤2。优选地，本实施例中p取0.05。

2、对于某节点i，若在其上传数据时间片起始后的最大竞争等待时间内，仍获得对当前信道的占用，表示未与簇头建立连接。则节点i和簇头根据保存的各信道占用情况统计信息按下述方法求得各信道的占用概率，如第r条信息被占用的概率为

P_r＝arg max f(p)

之后选取估计占用概率最小的信道r，P_r＝min{P₁，P₂…P_N}，作为转换目标信道(即代替原来的预设信道)。

3、簇头与节点为i完成信道转换选择后，在下一个时槽开始时重复步骤1的接入过程。

4、在节点接入簇头后，进行正常数据上传，若数据帧传输过程中出现冲突，则CC[j,r]，Cn[i,r]分别加1，并根据节点角色决定下一步动作。若节点为次要用户节点，则立即放弃当前数据传输，转入休眠状态，所在簇的簇头记录当前节点ID号，转入步骤5。

若节点为主要用户节点，发现冲突后，重传错误数据包，并继续正常数据传输。若重传仍出现冲突现像，返回步骤2重新选择信道。

若无冲突发生，在完成数据上传后，转入步骤6。

5、簇头将所有因信道占用或数据冲突而放弃原有时间片传输的次要节点，均分配到补充上传输时段。

在次要节点补充传输时段的开始，所有被分配的次要用户节点同时唤醒，接收簇头分配的再次上传时间片。簇头按0.5*Rclsuter为通信半径广播分配消息，按次要用户节点的剩余能量从低到高分配再次上传时间片，分配消息也按此顺序进行发送，收到分配消息的节点立即转入休眠状态，并按分配的再次上传时间片唤醒进行数据上传操作。转入步骤6。

6、每个节点完成数据上传后，节点和簇头保存当前通信的信道以及更新后的CC[j,r]，Cn[i,r]值。各节点需要维护一张自身参数表，而簇头需要维护一组针对各节点的参数表。其中，节点要维护的自身参数表用于保存其分配的上传数据时间片、距离对应簇头的距离、用户类型、所述簇头的编号、上一次的信道以及自身的编号等；簇头维护的自身参数表用于保存簇内节点个数、其距离对应簇内各个节点的距离、其通信功率以及其所属簇的簇内各个节点的剩余能量等。

对于本轮未冲突的节点，保持原有信道与上传数据时间片不变；对于冲突后转换信道的节点，保存新的信道与上传时隙信息；对于分配至补充传输时段传输的节点，寻找与上轮上传数据时间片最远的的时间片作为下一轮上传数据时间片。

上述实施例针对农田无线传感器网络监测区域范围大、节点通信范围有限的特点，从空域上进行频谱复用与节点并行接入，采用簇头间差异化功率控制的方法，减少通信区域的簇间重叠面积，降低簇间通信相互干扰的概率，解决了簇内单纯的TDMA方式难以解决的隐藏站、暴露站等问题，实现最大程度的频谱空域复用与节点并行接入，节约有限的信道频谱空间利用。时域接入上在传统TDMA方法的基础上，根据信道占用与冲突的情况，对节点上传时间片进行调整。充分利用簇间空域覆盖差异的时间差，减少簇间干扰。

针对现在CSMA/CA方法需要频繁检测、回退，在大规模、高密度网络中冲突多，耗时长等问题。在簇头间差异化功率控制与节点并行接入的基础上，减少现有方法的长时间信道竞争与等待，采用频谱感知与信道转换的方式避免冲突的发生，在信道转换时，根据节点统计信息估计各信道的占用概率，优先选择占用概率低的信道进行感知接入，减少频谱感知与信道扫描的次数，降低信道转换开销。本实施例的方法在保证节点接入与数据通信效率的基础上，充分考虑网络频谱利用与转换等待时间，尽可能降低节点间竞争等待时间与能耗，在频谱利用与网络生存周期之间达到新的博弈均衡。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、成簇首轮，节点按预定的时间唤醒，并接入对应的簇，之后进行数据上传；

S2、对于每一个簇，簇头根据其接收到的各个节点的数据，确定其与该簇内各节点的距离，将该簇内的节点分为主要用户和次要用户；

S3、对于每一个簇，活动时段包括竞争接入时段以及补充传输时段；所述簇头根据所述簇头与该簇内各节点的距离，在所述竞争接入时段内，按照从远至近或从近至远的顺序依次为该簇内的每一个节点分配上传数据时间片；

S4、对于簇内每一个节点，在完成向簇头的数据上报后，接收对应簇头广播的上传数据时间片分配信息，之后转入休眠状态；

S5、所述成簇首轮之后的其他数据上传轮次，对于簇内每一个节点，在为其分配的上传数据时间片内，该节点唤醒，扫描预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传，上传完毕后进入休眠状态，若所述预设信道被占用，则转入步骤S6,若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传之前，所述方法还包括以下步骤：该节点按照概率P直接进行数据上传，并在概率1-P下，该节点以二进制指数回退方式进行延时，并在下一个时槽再次扫描所述预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点直接进行数据上传，若所述预设信道被占用，则转入所述步骤S6；其中该节点对应的上传数据时间片包括多个时槽；

S6、该节点选择其他信道中被占用概率最小的信道作为所述预设信道，并转入步骤S5；

S7、所述步骤S5中，在该节点行数据上传时，若出现冲突，则判断该节点是否为主要用户，若该节点是主要用户，则该节点重新传输冲突数据，若重新上数据数时再次出现冲突，则转入所述步骤S6；若该节点是次要用户，则该节点放弃数据上传，进入休眠状态，并在所述补充传输时段内进行数据上传。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，节点接入对应的簇之前，所述方法还包括以下步骤：

1个或多个簇头分别在预定成簇半径内广播成簇信息，接收到所述成簇信息的节点感知所述成簇信息的信号强度，并调整自身发射功率，使对应的簇头在该节点的通信半径内的边缘；之后该节点反馈请求接入信息；对应的簇头接收所述请求接入信息，并根据所述请求接入信息的信号强度调整自身发射功率，使所述节点在对应簇头的通信半径的内边缘，实现该节点的接入。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，若节点与对应簇头的距离小于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为次要用户；若节点与对应的簇头的距离大于或等于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为主要用户。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，在成簇过程中，若一个簇头接收到其他簇头的成簇信息时，则当前簇头进行频谱感知，寻找并转移到空闲信道成簇。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述簇头在每个所述上传数据时间片之后设置了一个保护时间片。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中，利用下面的公式计算信道被占用的概率：

P_r＝argmaxf(p)

式中，P_r表示第r条信道被占用的概率；argmax表示极大似然估计；

其中，

式中，β表示该节点在其对应的上传数据时间片内进行通信的时间的倒数、α表示该节点在其对应的上传数据时间片内等待的时间的倒数；Cn[i,r]表示该节点在第r条信道上的累计冲突次数；Cn[j,r]表示该节点所属簇的簇头在第r条信道上的累计冲突次数；i为该节点的编号；j为该节点所属簇的簇头的编号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S7中进一步包括以下步骤用于实现在所述补充传输时段内上传数据：

所述补充传输时段开始时，所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次要用户唤醒，对应簇的簇头为该簇内所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次要用户分配再次上传时间片，并广播所述再次上传时间片的分配信息；

所述次要用户接收簇头广播的再次上传时间片的分配信息，之后进入休眠状态，并在为其分配的所述再次上传时间片内进行数据上传，其余时间所述次要用户保持在休眠状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述簇头根据各个次要用户的剩余能量，按照从低到高的顺序依次为各个次要用户分配再次上传时间片。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每个所述节点均存储为其分配的上传数据时间片、与对应簇头的距离、用户类型、所属簇头的编号、上一次的通信信道、自身的编号以及在各信道的冲突累计次数；

每一个所述簇头均存储其所属簇的簇内节点个数、其与对应簇内各个节点的距离、其通信功率、其所属簇的簇内各个节点的剩余能量以及其所属簇的簇内各个节点自身所存储的信息。