CN106612536A - 基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线传感器网络技术，具体地说是一种基于前导侦听的认知传感网自适应介质访问控制方法。该方法支持认知传感器的休眠-唤醒机制，采用前导侦听和载波侦听相结合的技术，有效解决了认知传感器的空闲侦听问题和认知传感器之间的冲突问题。此外，提出自适应感知和占空比调整策略，在保证对主用户充分保护的前提下，实现了认知传感网的低功耗运行。本发明通过定义基于前导侦听的自适应介质访问控制机制，不需要公共控制信道，可以实现认知传感网对授权频段的低开销可靠接入。

Description

基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术，具体地说是一种基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法。
背景技术
无线传感器网络中的设备大多工作在免授权的ISM频段。除无线传感器网络外，工作于ISM频段的无线设备还包括微波炉、射频识别RFID、无绳电话、蓝牙等。无线信道的开放共享特性使得上述无线设备会与无线传感器网络互相干扰，造成无线传感器网络传输可靠性的大幅下降，这为无线传感器网络的可靠传输带来了挑战。认知传感网将认知无线电理念融入无线传感器网络设计中，在实现对授权频段动态接入的同时，认知传感网也继承了传统无线传感器网络低成本、低能耗、多跳和分布式等特性。而决定认知传感网性能的关键点依然是介质访问控制(Medium Access Control，MAC)方法的设计。传统无线传感器网络的MAC方法主要包括时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)、频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、载波侦听多路访问(Carrier Sensing Multiple Access,CSMA)以及CSMA/TDMA混合方法等，这些方法仅考虑了在免授权频段的通信，一定程度上解决了传感节点之间的传输冲突问题。然而，认知传感网主要面向授权频段，除了解决认知传感器(CognitiveSensors，CSs)之间的冲突，还需要严格保护主用户(Primary Users，PUs)，实现CSs对PUs的透明传输。现有针对认知传感网MAC方法的研究主要集中于设计有效的频谱接入机制，具体包括频谱共享和机会频谱接入两类方法。其中，频谱共享方法允许CSs和PUs同时通信，但是要求CSs必须严格控制发射功率，保证其对PUs的干扰低于PUs所能承受的最大干扰阈值；机会频谱接入方法仅允许CSs接入PUs未占用的授权频段，从而有效保护PUs不被CSs干扰，但是该方法需要执行高精度的频谱感知。认知传感网机会频谱接入方法是目前的研究热点。
机会频谱接入方法中，当CSs利用频谱感知技术找到空闲授权频段之后，如何低开销解决CSs对于授权频段的接入冲突是认知传感网需要解决的核心问题。现有认知传感网方法大多假设通过一个预先设置的可靠的公共控制信道进行信息交互，更注重提升网络的吞吐量(频谱效率)。然而，采用公共控制信道本身就是一个频谱浪费，还存在控制信道饱和的问题。
发明内容
针对传统认知传感网采用的机会频谱接入方法所存在的控制信道饱和、资源浪费以及计算开销高的问题，本发明提出一种基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法，实现认知传感网对授权频段的低开销且高可靠接入。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法，CS-TX在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤，所述CS-TX表示认知传感器的发送端：
步骤1：CS-TX检测其数据队列长度，当数据队列不为空时，CS-TX执行步骤2；否则，执行步骤7；
步骤2，频谱感知：CS-TX检测PUs是否正在占用授权频段，当PUs未占用授权频段时，执行步骤3；否则，执行步骤7；所述PUs表示主用户；
步骤3，载波监听：CS-TX随机退避一段时间Δ后，进行载波监听，当载波监听结果显示信道未被占用时，CS-TX执行步骤4；否则，CS-TX竞争接入失败，将其占空比减半，执行步骤6；
步骤4，发送前导码：CS-TX传输数据前，首先发送一系列前导码，用以与CS-RX建立通信链路，同时防止其它CS-RX的空闲侦听；所述CS-RX表示目的认知传感器的接收端；
步骤5，数据传输：如果CS-TX未收到CS-RX对其前导码的确认ACK，则表示其前导码传输与PUs传输发生冲突，CS-TX将其当前的频谱感知时间增大一倍，执行步骤6；否则，向CS-RX发送数据，传输结束后，CS-TX将频谱感知时间线性减小10％，占空比增加10％，执行步骤6；
步骤6，休眠：CS-TX关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时，计时结束后重新唤醒该CS-TX；
CS-RX在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤：
步骤1，前导侦听：CS-RX在周期唤醒后，如果未侦听到前导码或侦听到的前导码所携带的信息与自身信息不匹配，则执行步骤3；如果接收到的前导码携带的信息与自身信息匹配，则该CS-RX即为目的接收端，并发送ACK给CS-TX，然后执行步骤2；
步骤2，接收数据：CS-RX接收CS-TX的数据后，执行步骤3；
步骤3，休眠：CS-RX关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时，计时结束后重新唤醒该CS-RX。
所述CS-TX采用能量感知方法检测PUs是否正在占用授权频段，包括以下步骤：
CS-TX通过能量检测器采集N＝f*Ts个PUs信号样本，其中，f为CS-TX的采样频率，Ts为频谱感知时间；
将该N个样本的信号能量与给定的能量阈值ε进行比较，其中，y(n)为CS-TX通过能量检测器采集到第n个信号样本；
如果T(y)≥ε，CS-TX认为该授权频段正被PUs占用；否则，CS-TX认为该授权频段未被PUs占用。
所述随机退避时间上界Δ根据下式计算：
Δ＝exp(-q)
其中，q表示CS-TX的数据队列长度。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.在无需公共控制信道的前提下，通过前导侦听和载波侦听技术有效解决CSs的空闲侦听问题和CSs之间的传输冲突问题；
2.采用自适应感知和占空比调整策略，在保证对PUs充分保护的前提下，实现认知传感网的低功耗运行。
附图说明
图1为CS-TX的MAC帧结构图；
图2为CS-RX的MAC帧结构图；
图3为自适应介质访问控制过程示例图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出了一种面向认知传感网的自适应介质访问控制方法，其主要思想是通过CS-TX的队列检测、频谱感知、载波监听、发送前导码、数据传输、参数调整和休眠以及CX-RX的前导侦听、接收数据和休眠等过程实现认知传感器网络的自适应介质访问控制。在保证认知传感网对授权频段的可靠接入的同时，可以自适应调整频谱感知和占空比等参数以降低系统的能耗开销。
本发明适用于采用机会频谱接入方式的认知传感网。假设认知传感网中共有M对CSs。每个CS都配备一个半双工的认知无线电收发器，即同一时间CSs在授权频段只能发送或接收数据。认知传感网采用自组织方式组网，网络无需公共控制信道和全局时钟。每个CS-TX周期性地进行频谱感知并独立判决授权信道状态，如果判断该授权信道空闲，则采用基于载波侦听的方式接入授权信道。参照IEEE 802.22标准，每个CS-TX的帧长度设置为T≤100ms。如图1所示，CS-TX的每个帧主要由频谱感知，频谱接入和休眠三部分组成，各部分时长分别用Ts，Ta和Td来表示，即T＝Ts+Ta+Td。其中，频谱感知时间Ts和休眠时间Td是两个可调整参数，可以根据CS-TX之间的冲突情况和频谱感知的可靠性自适应调整。每个CS-RX周期性地(帧周期为TRX)对授权信道进行侦听，如果没有收听到发给自己的前导码，则转入休眠直至下一周期开始；否则，向CS-TX发送ACK以示准备接收数据。待接收数据成功后，继续转入休眠状态直至下一周期开始。CS-RX的帧结构如图2所示。为了保证CS-TX的前导码总能被CS-RX监听到，设定发送前导码的时长Tp不小于TRX。
本发明主要包括如下实现过程：
CS-TX：(1)CS-TX进行数据队列检测；(2)CS-TX进行频谱感知；(3)CS-TX进行载波监听；(4)CS-TX发送前导码；(5)CS-TX进行数据传输；(6)CS-TX进行参数调整；(7)CS-TX转入休眠状态。
CS-RX：(1)CS-RX进行前导侦听；(2)CS-RX接收数据；(3)CS-RX转入休眠状态。
图3给出了上述实现过程之间的时序关系。下面结合图3，对本发明的具体过程做如下详细说明。
对于CS-TX:
(1)CS-TX进行数据队列检测
CS-TXm(m＝1，2，…，M)检测其数据队列长度qm(数据包的个数)，当qm＝0时，即队列为空，CS-TX转入休眠状态；否则，计算退避时间上界Δm＝exp(-qm)。
(2)CS-TX进行频谱感知
由于CS-TX要接入到授权频段进行数据传输，CS-TX必须首先进行频谱感知以判别PUs是否正在占用授权频段。只有当PUs未占用授权频段时，CS-TX才可以接入到该授权频段进行数据传输。根据PUs占用授权频段的情况，可以建立如下二元假设检验模型：
其中，H0和H1分别表示PUs未占用和占用授权频段的情况。x(n)表示PUs的传输信号，hm(n)和nm(n)分别表示PUs到CS-TXm的信道增益和CS-TXm处的噪声。ym(n)表示CS-TXm通过能量检测器采集到第n个信号样本，然后CS-TXm对N＝f*Ts个样本的信号能量与事先给定的阈值εm比较，其中f表示CS-TX的采样频率。如果T(ym)≥εm，CS-TXm认为该授权频段正被PUs占用；否则，CS-TXm认为该授权频段未被PUs占用。
当CS-TX判定PUs正在占用授权频段时，CS-TX不能接入授权频段，进入休眠状态，以降低功耗。当CS-TX判定PUs未占用授权频段时，CS-TX下一步进行载波侦听。
(3)CS-TX进行载波监听
认知传感网采用自组织方式组网，各个CS-TX独立决策。如果多个CS-TX的检测结果均认为授权频段未被PUs占用且同时接入该频段，那么CS-TX之间将发生冲突，进而导致传输失败。为了防止CS-TX之间的接入冲突，在CS-TXm感知到PUs未占用授权频段后，随机退避时间Tm，其中Tm服从[0，Δm]之间的均匀分布。然后，采用载波监听的方法判别是否有其他CS-TX正在占用该授权频段。如果载波监听结果显示已有其他CS-TX占用信道时，该CS-TX退出竞争，进入参数调整阶段；而当载波监听结果显示信道空闲时，CS-TX直接接入该信道准备发送前导码。
(4)CS-TX发送前导码
为了降低网络的能耗，认知无线传感器节点通常采用休眠的方式。因此，当CS-TX接入到授权频段发送数据时，如果其目的CS-RX处于休眠状态，那么CS-RX将无法接收数据。为了解决上述问题，CS-TX采用发送前导码的方法首先唤醒目的CS-RX。具体来说，当CS-TX接入到空闲信道时，将周期发送一系列短周期的前导码。该前导码包括CS-TX的身份信息、目的CS-RX的地址信息、数据时长等。CS-TX将每个前导码短周期进一步划分为发送和接收两部分，发送部分用来发送前导码，接收部分用来等待目的CS-RX的ACK响应。
(5)CS-TX进行数据传输
如果CS-TX接收到目的CS-RX发送的ACK，则CS-TX停止发送前导码并向CS-RX发送数据。如果CS-TX始终未接收到ACK，则认为本次前导码传输与PUs的传输发生冲突。不论数据传输成功与否，CS-TX都对下一个周期的参数进行调整。
(6)CS-TX进行参数调整
CS-TX仅针对本周期内的如下情况作参数调整：
●如果CS-TX的载波监听结果显示授权信道忙，则将其占空比减半；
●如果CS-TX检测到PUs未占用授权信道，但是数据传输失败，表明发生漏警事件，则将其当前的频谱感知时间增大一倍；
●如果CS-TX检测到PUs未占用授权信道，并且数据传输成功，则将频谱感知时间线性减小10％，占空比增加10％。
(7)CS-TX转入休眠状态
CS-TX关闭收发器，同时打开超时定时器，休眠至当前周期结束。
对于CS-RX，在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤：
(1)CS-RX进行前导侦听
由于CS-TX的前导码时长Tp不小于目的CS-RX的周期TRX，所以前导码一定可以把目的CS-RX唤醒。如果目的CS-RX得知当前前导码的目的地址信息与自身信息一致，该CS-RX立即发送ACK给CS-TX，告知CS-TX已经准备接收数据。非目的CS-RX发现当前前导码的目的地址信息与自身信息不匹配，则停止侦听，直接转入休眠状态，避免因空闲侦听所引起的不必要能耗。
(2)CS-RX接收数据
CS-RX在前导码给定的数据时长内接收数据包，接受结束之后即转入休眠状态。注意，这里CS-RX不再采用ACK技术对数据包的成功传输给予确认。
(3)CS-RX进入休眠状态
CS-RX关闭收发器，同时打开超时定时器，休眠至当前周期结束。

Claims (3)

1.一种基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法，其特征在于，CS-TX在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤，所述CS-TX表示认知传感器的发送端：
步骤1：CS-TX检测其数据队列长度，当数据队列不为空时，CS-TX执行步骤2；否则，执行步骤7；
步骤2，频谱感知：CS-TX检测PUs是否正在占用授权频段，当PUs未占用授权频段时，执行步骤3；否则，执行步骤7；所述PUs表示主用户；
步骤3，载波监听：CS-TX随机退避一段时间Δ后，进行载波监听，当载波监听结果显示信道未被占用时，CS-TX执行步骤4；否则，CS-TX竞争接入失败，将其占空比减半，执行步骤6；
步骤4，发送前导码：CS-TX传输数据前，首先发送一系列前导码，用以与CS-RX建立通信链路，同时防止其它CS-RX的空闲侦听；所述CS-RX表示目的认知传感器的接收端；
步骤5，数据传输：如果CS-TX未收到CS-RX对其前导码的确认ACK，则表示其前导码传输与PUs传输发生冲突，CS-TX将其当前的频谱感知时间增大一倍，执行步骤6；否则，向CS-RX发送数据，传输结束后，CS-TX将频谱感知时间线性减小10％，占空比增加10％，执行步骤6；
步骤6，休眠：CS-TX关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时，计时结束后重新唤醒该CS-TX；
CS-RX在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤：
步骤1，前导侦听：CS-RX在周期唤醒后，如果未侦听到前导码或侦听到的前导码所携带的信息与自身信息不匹配，则执行步骤3；如果接收到的前导码携带的信息与自身信息匹配，则该CS-RX即为目的接收端，并发送ACK给CS-TX，然后执行步骤2；
步骤2，接收数据：CS-RX接收CS-TX的数据后，执行步骤3；
步骤3，休眠：CS-RX关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时，计时结束后重新唤醒该CS-RX。
2.根据权利要求1所述的基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法，其特征在于，所述CS-TX采用能量感知方法检测PUs是否正在占用授权频段，包括以下步骤：
CS-TX通过能量检测器采集N＝f*Ts个PUs信号样本，其中，f为CS-TX的采样频率，Ts为频谱感知时间；
将该N个样本的信号能量与给定的能量阈值ε进行比较，其中，y(n)为CS-TX通过能量检测器采集到第n个信号样本；
如果T(y)≥ε，CS-TX认为该授权频段正被PUs占用；否则，CS-TX认为该授权频段未被PUs占用。
3.根据权利要求1所述的基于前导侦听的认知传感网介质访问控制方法，其特征在于，所述随机退避时间上界Δ根据下式计算：
Δ＝exp(-q)
其中，q表示CS-TX的数据队列长度。
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