CN102938892A - 一种认知无线传感器网络跨层协议设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种认知无线传感器网络跨层协议设计方法。本设计以合理进行资源分配、提高服务质量、节约能耗为目的，从跨层的方式出发，在网络的更高层做出规划，帮助路由、资源分配以及调度做出更好的决策,节点获取当前网络的状态以后，MAC层会自动改变节点的睡眠时间；在获取网络和链路状态后，物理层可以通过改变发送速率、发送能耗和编码方式来适应对应用的需求。同时可以实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡，支持网络能量管理的优化，提高网络的实用性和可行性，能够通过层间的交互，满足网络的应用的高吞吐量、低延迟等要求，达到优化全网性能的目标。

Description

一种认知无线传感器网络跨层协议设计方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域, 具体地说是一种认知无线传感器网络跨层协议设计方法。

背景技术

造成这种现象最主要的原因是目前我们采取的频谱策略是静态分配和集中管理，在其空闲时循环使用被分配出去的频谱资源是很困难的，这造成了资源的浪费。因此，动态频谱接入(DSA)的技术应运而生，可以用来解决频谱效率低下的问题。为了解决这个问题，需巧妙建立网络，使其可以感知周围的环境，做出智能的适应行为。因此网络应该提高其认知能力。

造成这种现象最主要的原因是目前我们采取的频谱策略是静态分配和集中管理，在其空闲时循环使用被分配出去的频谱资源是很困难的，这造成了资源的浪费。因此，动态频谱接入(DSA)的技术应运而生，可以用来解决频谱效率低下的问题。为了解决这个问题，需巧妙建立网络，使其可以感知周围的环境，做出智能的适应行为。因此网络应该提高其认知能力。

认知网络被定义为一个具有认知过程的网络，它可以感知网络当前的状况，然后制定计划，做出决定，并且根据以上条件去执行，该网络可以借鉴上述这些适应性的行为，利用它们做出未来的决定，同时考虑终端到终端的目标。

传统的无线传感器网络是一种无线多跳网络，它由部署在监测区域内一些资源受限的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。所有节点属于同一频率,要依靠复杂的路由算法和网络的同步方法获得信息的有效传输。

众所周知无线电技术的进步减少了功耗的消耗，使得非常小的电池供电的通信系统得以创建。当接入任何一种带有低功率微处理器的微型传感器（如，光照强度、温度、三维运动、心跳），就创建了一个小型供电系统传感器，它具有数据处理能力，与其它无线设备进行通信。而且，这种新器件测量范围比较广，不仅仅局限于一个单点。最后，被检测到的数据可以传送到一个或者更多sink节点，可以将获得的数据传送给网关，并进一步给用户。此外，用户可以通过改变sink节点来调节传感器节点的参数（如测量报告的时间间隔，传感器节点的拓扑结构等）。

发明内容

本发明的目的是从改善网络服务质量、提高网络性能、节约能耗出发，提出了一种无线传感器网络跨层解决方案。首先，它允许所有协议层的信息有效共享，并能够通过认知提高系统性能。单独的层仍可以独立做出决策，相邻层的信息交流仍在进行。此外，系统架构是完全分散的，每层的认知主体可以收集有关信息和控制参数。在某种程度上，认知主体可以作为一个本地传感器、控制器和特定层的执行者。此外，如果每个层都有一个独立的认知主体，网络事件的协议参数和每层的行为都能更加有效的处理。

本发明是通过下述的技术方案实现：利用认知模块对跨层实施管理，通过其间的认知控制器进行信息和数据的交换，协调每一层的认知主体，建立网络信息的共享和优化，具体内容如下：

1）单独的层仍独立做出决策，每层的认知主体收集有关信息和控制参数，认知主体作为一个本地传感器、控制器和特定层的执行者；

2）认知无线传感器网络频谱管理架构采用认知循环，进行动态的频谱感知、频谱决策和频谱共享；

3）跨层架构包括：新接口的创建；合并相邻层；设计没有新接口的耦合；跨层垂直校准；

4）物理层采用跨层自适应码位置调制ACPM计划，定义数据包调度层，通过数据包调度层算延迟和丢包率；

5）MAC层采用多址接入的载波侦听碰撞CSMA/CA技术，计算传感器工作周期包括：休眠、侦听和传输时间，以确定事件被检测的可靠性，按照封包遗失的几率、物理层测量和数据包碰撞的概率分组阻塞率和服务时间的概率分布计算MAC层；

6）对于无线传感器网络，采用基于优先级的拥塞控制跨层协议PCCP，以减少网络层的拥塞；

7）应用层采用数据融合或称数据聚集技术来减少测量误差，利用传感器的信道状态信息CSI来安排到传感器传输体验更多渠道，或利用这些信息来衡量一个传感器进行数据融合的可靠性。

具体设计步骤如下：

首先利用认知模块对跨层实施管理，通过其间的认知控制器进行信息和数据的交换，协调每一层的认知主体，建立网络信息的共享和优化；

认知无线电网络架构被分为两个主要部分：主网和CR网络，主网是指现有的网络，主要的用户PUs有一个执行许可去运行特定的频段，如果主网有一个基础的支持，Pus的操作被主机站控制，由于它们具有频谱接入的优先权，Pus不会被没有授权的用户所影响，CR网络或者是没有在特定频段运行许可的第二网络，因此，CR用户或者是没有在特定频段运行许可的第二用户需要额外的功能来分享许可的频段，此外，CR用户具有移动性，能够互相之间以多跳方式在授权或者未授权频段交流， CR网络作为独立网络，不具备与主网络直接沟通的渠道，因此，每个CR网络的行为取决于当时的条件；

为了适应动态的频谱环境，就必须进行CRAHNs的频谱感知操作，形成一种认知循环，认知周期具有四个频谱管理功能：频谱感知、频谱决策、频谱共享、频谱的移动性，为了实现CRAHNs，每个功能都必须融入传统的分层，同时，建立认知无线传感器网络需要考虑以下几层：应用层APP，网络层NWK或者NET，媒体接入控制MAC和物理层PHY，跨层协议可用来控制拥塞和终端对终端的通信传输层的功能，在应用层的服务质量可以获知MAC层，以达到更好的调度程序来运行应用，信道状态信息CSI可以到网络层从而路由协议可以避免包括环的状态的路径。

本发明的优异效果是，设计方法是以合理进行资源分配、提高服务质量、节约能耗为目的，从跨层的方式出发，在网络的更高层做出规划，帮助路由、资源分配以及调度做出更好的决策。由于每一层都把对协议的行为考虑进去，而实现了无线传感器网络的优化。本发明可以使各层协议能够通过获取交互的数据自动去改变自身行为方式。节点获取当前网络的状态以后，MAC层会自动改变节点的睡眠时间；在获取网络和链路状态后，物理层可以通过改变发送速率、发送能耗和编码方式来适应对应用的需求。同时可以实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡，支持网络能量管理的优化，提高网络的实用性和可行性，能够通过层间的交互，满足网络的应用的高吞吐量、低延迟等要求，达到优化全网性能的目标。

附图说明

图1是认知无线传感器网络频谱管理架构示意图；

图2是认知无线传感器网络跨层结构示意图；

图3是认知无线传感器网络跨层设计示意图。

具体实施方式

参照附图堆本发明的方法做以下详细的说明；

首先利用认知模块对跨层实施管理，通过其间的认知控制器进行信息和数据的交换，协调每一层的认知主体，建立网络信息的共享和优化。

认知无线电网络架构被分为两个主要部分：主网和CR网络。主网是指现有的网络，主要的用户PUs有一个执行许可去运行特定的频段。如果主网有一个基础的支持，Pus的操作被主机站控制。由于它们具有频谱接入的优先权，Pus不被没有授权的用户所影响。CR网络或者是第二网络没有在特定频段运行的许可。因此，CR网络用户或者是第二用户需要额外的功能来分享许可的频段。此外，CR网络用户具有移动性，能够互相之间以多跳方式在授权或者未授权频段交流。通常情况下，CR网络作为独立网络，不具备与主网络直接沟通的渠道。因此，每个CR网络的行为取决于当时的条件。

为了适应动态的频谱环境，就必须进行CRAHNs的频谱感知操作，形成一种认知循环，认知周期具有四个频谱管理功能：频谱感知、频谱决策、频谱共享、频谱的移动性，为了实现CRAHNs，每个功能都必须融入传统的分层。

同时，建立认知无线传感器网络需要考虑以下几层：应用层APP，网络层NWK或者NET，媒体接入控制MAC和物理层PHY，跨层协议可用来控制拥塞和终端对终端的通信传输层的功能，在应用层的服务质量可以获知MAC层，以达到更好的调度程序来运行应用，信道状态信息CSI可以到网络层从而路由协议可以避免包括环的状态的路径。

如图1所示，认知循环包括频谱感知、决策和共享，其中：

频谱感知：当一个CR网络用户被分配到一个未使用的频谱，CR网络用户应检测到可用频谱，然后监测频谱空穴。它同其他频谱管理功能密切相关，靠分层协议来提供频谱可用性。

频谱决策：一旦可获得的频谱被认定了，CR网络用户可以根据自己的QoS要求选择最合适的频段。本发明采用动态频谱特性的决定算法，因此需要获得关于PU活动的先验信息。此外，在CRAHNs，频谱决定设定共同承担的频谱选择和路线形成。

频谱共享：由于可能会有多种CR网络用户尝试访问频谱，它们的传输应该加以调节，以防止频谱重叠碰撞，频谱共享能力，提供了多种首要的网络造成的干扰。

图2是应用本发明的认知无线传感器网络跨层结构示意图。

本跨层架构在四个基本的方式上做了改变：新接口的创建；合并相邻层；设计没有新接口的耦合；跨层垂直校准。

图3是认知无线传感器网络跨层设计示意图。

物理层提出一个跨层自适应码位置调制ACPM计划。定义了一个新的层——数据包调度层，这个层可以计算延迟和丢包率。从延迟需求讲，最佳调制方案可以选择，从丢包率的角度说，物理层可以决定一个包传输过程中所遇到的最大误码率，因此，为满足需要，可以调整预定的调制发射功率。

MAC层多址接入的载波侦听碰撞CSMA/CA技术被IEEE的802.15.4使用。为了确定事件被检测的可靠性，传感器工作周期休眠和侦听/传输时间要被计算。按照封包遗失的几率、物理层测量和数据包碰撞的概率分组阻塞率和服务时间的概率分布计算MAC层。计算工作周期需要考虑两个过程，收集和分发。对于收集，sink节点决定了工作时间和将他们传输给其他传感器节点。这实现了可靠性，但让协调节点更为耗能。分发方面，协调节点只发送传感器节点的数目，然后每个都可以计算出自身的占空比，以保持高于预定义限制的可靠性 。这样，协调节点的能耗变少了，网络传感的可靠性还保持在相同的水平。

网络层主要解决拥塞问题，对于无线传感器网络采用基于优先级的拥塞控制跨层协议PCCP。这个协议包括了网络层和MAC层之间的两个新的队列，一个作为节点头上的通路，另一个作为节点中的通路。通过核实路由流量队列中的挎包到达时间，PCCP可以检测都拥塞。接着，隐拥塞通知ICN到其他节点。最后，每一个节点降低了其流量路由队列调控率来控制检测的拥塞情况。

应用层采用数据融合，也称数据聚集技术来减少测量误差。在这种情况下，数据没有编码，以减少传输的比特数。相反，从多个传感器接收数据进行比较来搜索错误。因此，本跨层方案中一个可靠的测量可以提高数据融合和网络寿命。利用传感器的信道状态信息CSI来安排到传感器传输体验更好多渠道，也利用这些信息来衡量一个传感器测量融合时进行数据的可靠性。因此，防止传感器经历坏的发射通道，误比特率同最大比合并融合算法可降到1000倍，从而更加节能。

数据融合也被用于GRASS。在分析的情况下，组得以形成，簇头CHs合计来自于传感器组的数据。然后，簇头有责任找到一个通往基站的路由以实现网络寿命最大化。同定向扩散协议相比具有寿命增益。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (1)

1.一种认知无线传感器网络跨层协议设计方法, 其特征在于利用认知模块对跨层实施管理，通过其间的认知控制器进行信息和数据的交换，协调每一层的认知主体，建立网络信息的共享和优化，具体内容如下：

1）单独的层仍独立做出决策，每层的认知主体收集有关信息和控制参数，认知主体作为一个本地传感器、控制器和特定层的执行者；

2）认知无线传感器网络频谱管理架构采用认知循环，进行动态的频谱感知、频谱决策和频谱共享；

3）跨层架构包括：新接口的创建；合并相邻层；设计没有新接口的耦合；跨层垂直校准；

4）物理层采用跨层自适应码位置调制ACPM计划，定义数据包调度层，通过数据包调度层算延迟和丢包率；

5）MAC层采用多址接入的载波侦听碰撞CSMA/CA技术，计算传感器工作周期包括：休眠、侦听和传输时间，以确定事件被检测的可靠性，按照封包遗失的几率、物理层测量和数据包碰撞的概率分组阻塞率和服务时间的概率分布计算MAC层；

6）对于无线传感器网络，采用基于优先级的拥塞控制跨层协议PCCP，以减少网络层的拥塞；

7）应用层采用数据融合或称数据聚集技术来减少测量误差，利用传感器的信道状态信息CSI来安排到传感器传输体验更多渠道，或利用这些信息来衡量一个传感器进行数据融合的可靠性；

具体设计步骤如下：

首先利用认知模块对跨层实施管理，通过其间的认知控制器进行信息和数据的交换，协调每一层的认知主体，建立网络信息的共享和优化；

认知无线电网络架构被分为两个主要部分：主网和CR网络，主网是指现有的网络，主要的用户PUs有一个执行许可去运行特定的频段，如果主网有一个基础的支持，Pus的操作被主机站控制，由于它们具有频谱接入的优先权，Pus不会被没有授权的用户所影响，CR网络或者是没有在特定频段运行许可的第二网络，因此，CR用户或者是没有在特定频段运行许可的第二用户需要额外的功能来分享许可的频段，此外，CR用户具有移动性，能够互相之间以多跳方式在授权或者未授权频段交流， CR网络作为独立网络，不具备与主网络直接沟通的渠道，因此，每个CR网络的行为取决于当时的条件；

为了适应动态的频谱环境，就必须进行CRAHNs的频谱感知操作，形成一种认知循环，认知周期具有四个频谱管理功能：频谱感知、频谱决策、频谱共享、频谱的移动性，为了实现CRAHNs，每个功能都必须融入传统的分层，同时，建立认知无线传感器网络需要考虑以下几层：应用层APP，网络层NWK或者NET，媒体接入控制MAC和物理层PHY，跨层协议可用来控制拥塞和终端对终端的通信传输层的功能，在应用层的服务质量可以获知MAC层，以达到更好的调度程序来运行应用，信道状态信息CSI可以到网络层从而路由协议可以避免包括环的状态的路径。

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