CN111836331A - 一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及认知无线传感器网络技术，是一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法。认知传感器网络中的认知节点采用周期性的休眠‑唤醒机制，首先利用频谱感知技术判断主用户的状态，如果主用户不活跃，那么数据发送节点使用广播前导码的方式建立通信链路，根据各邻居节点的剩余能量和平均成功传输时间判断其是否符合转发条件。协议为基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议，所以在数据发送节点通信范围内符合转发条件的节点中，由最先唤醒的节点响应。此外，由于主用户的回归或者漏警可能导致认知节点与主用户的传输冲突，本发明采用基于确认的重传机制，以保证数据包传输的可靠性。

Description

一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明涉及认知无线传感器网络技术，具体地说是一种针对认知无线传感器网络的路由协议。

背景技术

无线传感器网络是由大量的低能力传感节点以自组织和多跳的方式构成的无线个域网络，在医疗、农业、工业和国防等领域都得到广泛应用。随着无线技术的快速增长，工作在免授权的工业、科学及医疗频段(ISM 2.4GHz)的网络越来越多，这使得ISM 2.4GHz频段变得非常拥挤。传统无线传感器网络资源严格受限，极易受到共存网络的干扰，进而导致其时延、可靠性等传输性能显著降低。

认知无线传感器网络将认知无线电技术引入到传统无线传感器网络中，可以实现认知传感器节点对高质量授权频段的动态机会式接入，从而为提升网络的传输性能提供了全新的解决思路。

路由协议是保证网络端到端实时、可靠传输的重要手段。不同于传统的无线传感器网络路由协议，认知无线传感器网络既要保证低能耗之外，还要保证对主用户的保护以及频谱动态条件下的网络性能。为此，本发明提出了基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议，其主要创新性是结合基于短导频码采样的休眠-唤醒机制和机会式路由，并设计同时考虑保护主用户和转发时延的认知实时转发条件。该协议通过导频采样技术可有效减少CSs的串听和降低节点的占空比，采用基于认知实时转发条件的机会式路由合可以保证实时、可靠传输的同时，还对主用户进行了有效保护。同时，本专利所提路由协议是分布式路由协议，数据的传输和转发过程只需要节点的局部信息即可，相对于传统的集中式路由，路由开销明显降低。

发明内容

针对传统认知传感器网络采用的路由协议所存在的影响主用户传输质量、资源浪费以及传输时延增加的问题，本发明提出一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议，可以保证实时、可靠传输的同时，还对主用户进行了有效保护。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，认知传感节点利用主用户的信道向网关汇报本地传感数据，传感节点根据本地的局部信息计算自己的用于表示其在网络中虚拟位置的等级，发送数据至比自己等级低的传感节点，或者接收比自己等级高的传感节点的数据。

一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，在每个休眠-唤醒周期，认知传感节点CS执行以下步骤：

步骤1，频谱感知：CS检测主用户是否正在占用授权频段；主用户未占用授权频段，执行步骤2；否则，执行步骤8；

步骤2，载波监听：CS进行载波监听；当载波监听结果显示信道未被占用时，执行步骤3；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，如果自身不满足转发条件，则执行步骤8，否则执行步骤6；当载波监听结果显示信道忙并且未接收到前导码时，执行步骤8；

步骤3，CS检测自身数据队列长度；当数据队列不为空时，执行步骤4；否则执行步骤8；

步骤4，广播发送前导码：CS在传输数据前，首先发送前导码，用于和邻居节点建立通信链路；

步骤5，数据传输：如果CS发送前导码的过程中接收到等级更低的邻居 CS的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居CS发送数据包；如果数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，执行步骤8；否则，表示传输失败，执行步骤7；

步骤6，前导码响应：当发送CS通信范围内符合转发条件的CS为多个时，其中最先唤醒的CS发送响应ACK，准备接收数据；其他符合转发条件的接收CS在检测到信道正忙之后，执行步骤8；如果接收到数据包，则发送确认ACK 告知发送CS，执行步骤8；否则，进入步骤7；

步骤7，数据重传：若未到重传的最大次数或收到接收CS发出的ACK，执行步骤1；否则，执行步骤8；

步骤8，休眠：CS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，执行步骤1。

所述前导码由多个微帧组成，微帧间有间歇，设定间歇时间与微帧持续时间相同，间歇时发送节点收听信号；定义T_m为前导码中微帧传输时间，r_m表示前导码中微帧的个数，

其中T_pr为前导码持续时间；前导码中包含发送CS的等级，用于接收CS判断是否满足转发条件。

所述转发条件为收到前导码的接收CS自身等级低于前导码中的等级。

所述等级由节点的剩余能量E和平均成功传输时间决定。

所述等级通过下式实现：R_i＝ω₁·E_i+ω₂·ASTT_i，其中ω₁≥0和ω₂≥0为权值，且满足ω₁+ω₂＝1；R_i表示节点i的等级，ASTT_i表示第i个认知传感节点的平均成功传输时间，E_i表示第i个认知传感节点的剩余能量。

所述平均成功传输时间具体如下：ASTT_i＝(r_mT_m+2T_d+τ)×ETX_i，其中T_d表示数据帧的传输时间，τ为节点由睡眠转醒的时间，T_m为前导码中微帧传输时间，r_m表示前导码中微帧的个数，ETX_i为第i个节点的期望传输次数；ETX_i＝1/(1-p)^m+d，其中(1-p)^m+d为第i个节点传输成功的概率，p为误码率，m为微帧比特数，d为数据帧比特数。

一种无线传感器节点，包括处理器和存储设备，存储设备存储有程序，用于处理器加载并执行一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法的步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明可有效减少CSs的串听和降低节点的占空比，采用基于认知实时转发条件的机会式路由合可以保证实时、可靠传输的同时，还对主用户进行了有效保护；

2.本发明是分布式路由协议，数据的传输和转发过程只需要节点的局部信息即可，相对于传统的集中式路由，路由开销明显降低。

附图说明

图1为基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议有限状态机图；

图2a为基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议过程示例图一；

图2b为基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议过程示例图二。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明涉及认知无线传感器网络技术，是一种针对认知无线传感器网络的路由协议。认知传感器网络中的认知节点采用周期性的休眠-唤醒机制，首先利用频谱感知技术判断主用户的状态，如果主用户不活跃，那么数据发送节点使用广播前导码的方式建立通信链路，根据各邻居节点的剩余能量和平均成功传输时间判断其是否符合转发条件。协议为基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议，所以在数据发送节点通信范围内符合转发条件的节点中，由最先唤醒的节点响应。此外，由于主用户的回归或者漏警可能导致认知节点与主用户的传输冲突，本发明采用基于确认的重传机制，以保证数据包传输的可靠性。

认知无线传感器网络由M个认知传感节点(CS，Cognitive Sensor)和一个网关组成。CS(认知传感节点)利用主用户的信道向网关汇报本地传感数据(包括频谱感知、载波监听、进行数据队列检测、CS发送前导码)。CS根据本地的局部信息计算自己的等级，该等级表示其在网络中的虚拟位置；其中，局部信息包括节点的剩余能量和平均成功传输时间。为了避免出现环路，数据只能从高等级的CS发送给低等级的CS(包括CS进行数据传输，CS对前导码的响应，数据重传)。

如图1所示，基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议，认知传感器节点CS采用休眠-唤醒机制以保存能量。在每个休眠-唤醒周期，CS执行以下步骤：

步骤1，频谱感知：CS检测主用户是否正在占用授权频段；主用户未占用授权频段，执行步骤2；否则，执行步骤8；

步骤2，载波监听：CS进行载波监听；当载波监听结果显示信道未被占用时，执行步骤3；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，如果自身不满足转发条件，则执行步骤8，否则执行步骤6；当载波监听结果显示信道忙并且未接收到前导码时，执行步骤8；

步骤3，CS检测自身数据队列长度；当数据队列不为空时，执行步骤4；否则执行步骤8；

步骤4，广播发送前导码：CS在传输数据前，首先发送前导码，用来和邻居节点建立通信链路；

步骤5，数据传输：如果CS发送前导码的过程中接收到等级更低的邻居 CS的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居CS发送数据包；如果数据包发送完成后接收到邻居CS的确认ACK，则表示数据包发送成功，执行步骤8；否则，表示传输失败，执行步骤7；

步骤6，前导码响应：发送CS通信范围内符合转发条件的CS可能是多个，其中最先唤醒的CS发送响应ACK，准备接收数据；其他符合转发条件的接收 CS在检测到信道正忙之后，执行步骤8；如果接收到数据包，则发送确认ACK 告知发送CS，执行步骤8；否则，进入步骤7。

步骤7，数据重传：若未到重传的最大次数或收到接收CS发出的ACK，执行步骤1；否则，执行步骤8。

步骤8，休眠：CS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，执行步骤1。

所述CS检测主用户是否正在占用授权频段包括以下步骤：

CS在主用户的一个工作频段上采集N个信号样本；其中，N＝f*T_s，f为CS 的采样频率，T_s为频谱感知时间；

将N个样本的信号能量

与能量阈值ε进行比较；其中，y(n)为 CS采集到的第n个信号样本；

如果T(y)≥ε，CS判定主用户正在占用授权频段；否则，CS判定主用户未占用授权频段。

所述前导码由多个微帧组成，微帧间有间歇，设定间歇时间与微帧持续时间相同，间歇时发送节点收听信号。定义T_m为前导码中微帧传输时间，r_m表示前导码中微帧的个数，

其中T_pr为前导码持续时间。前导码中包含发送CS的等级，对于接收CS判断是否满足转发条件。

在邻居节点中选择转发节点的方式如下：

认知无线传感器网络由M个CS，和一个网关组成。CS利用主用户的信道向网关汇报本地传感数据。CS根据本地的局部信息计算自己的等级，该等级表示其在网络中的虚拟位置。为了避免出现环路，数据只能从高等级的CS发送给低等级的CS。

节点的等级由节点的剩余能量E和平均成功传输时间ASTT决定。具体而言，节点i的等级由R_i表示，R_i＝ω₁·E_i+ω₂·ASTT_i，其中ω₁≥0和ω₂≥0为权值，且满足ω₁+ω₂＝1。ASTT_i＝(r_mT_m+2T_d+τ)×ETX_i，其中T_d表示数据帧的传输时间，τ为节点由睡眠转醒的时间，ETX_i为第i个节点的期望传输次数(ETX,Expected Transmission Count)。ETX_i＝1/(1-p)^m+d，其中(1-p)^m+d为第i个节点传输成功的概率，p为误码率，m为微帧比特数，d为数据帧比特数。

发送CS出现漏检时，其发送的短前导码和主用户之间的传输冲突。接收 CS不能正确解码损坏的短前导码，进而转至休眠状态。由于发送CS不知道和主用户间发生传输冲突，它将完成一系列短前导码的传输，然后等待下一个微帧时间接收ACK。如果没有收到ACK，则发送CS得知传输失败是由于和主用户冲突导致的，然后转至休眠状态。

所述转发条件是对于接收CS而言，当收到前导码的接收CS自身等级低于前导码中的等级，该接收CS即满足转发条件，否则不满足转发条件。

本发明提出了一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由协议，其主要思想是通过CS的频谱感知、载波监听、队列检测、发送前导码、数据传输、前导码响应、数据重传和休眠等过程实现认知传感器网络的路由协议。该协议可有效减少CSs的串听和降低节点的占空比，可以保证实时、可靠传输的同时，还对主用户进行有效保护，同时路由开销明显降低。

本发明适用于采用机会频谱接入方式的认知传感网。假设在认知传感网中部署有大量的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同步。参照IEEE 802.22标准，每个CS的帧长度设置为T≤100ms。每个CS循环执行自身的休眠-唤醒周期，并根据上述各步骤的执行情况，进行发送-接收状态的切换。为保证邻居节点对前导码的接收，设定发送前导码的时长不小于CS进行载波监听的时间间隔。

本发明主要包括如下实现过程：

CS：(1)CS进行频谱感知；(2)CS进行载波监听；3)CS进行数据队列检测；(4)CS发送前导码；(5)CS进行数据传输；(6)CS对前导码的响应； (7)数据重传；(8)CS转入休眠状态。

图2b给出了上述实现过程之间的时序关系。图2a、2b表示节点S使用本方案通过选择传输范围内的邻居节点A，向网关发送数据。S,A,B,C均为认知传感器节点，G为网关。R为rank的首字母，rank是节点等级的英文表示，R_S表示发送节点的节点等级，R_A,R_B,R_C分别表示节点A、B、C的节点等级，R_G表示网关节点的等级；图2b中Sink表示下一跳节点，词汇本意为信息汇集。下面结合图1、图2a、2b，对本发明的具体过程做如下详细说明。

(1)CS进行频谱感知

由于CS要接入到授权频段进行数据传输，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(主用户)未占用授权频段时，CS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，h_m(n)和u_m(n)分别表示PUs到CS_m的信道增益和CS_m处的噪声。y_m(n)表示CS_m通过能量检测器采集到第n个信号样本，然后CS_m对N＝f*T_s个样本的信号能量

与事先给定的阈值ε_m比较，其中f表示采样频率。如果 T(y_m)≥ε_m，CS_m判定该授权频段正被PUs占用；否则，CS_m判定该授权频段未被 PUs占用；其中M表示认知传感器节点数。

当CS判定PUs正在占用授权频段时，CS不能接入授权频段，进入休眠状态，以降低功耗。当CS判定PUs未占用授权频段时，CS下一步进行载波侦听。

(2)CS进行载波监听

认知传感器网络采用自组织方式组网，各个CS独立决策，不需要全网的时间同步。当载波监听结果显示信道空闲时，CS对自身数据队列进行检测，决定是否接入信道；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，CS对自身是否满足转发条件进行判定，条件满足则进行前导码响应，否则进入休眠；当信道忙且未接收到前导码时，直接进入休眠。

(3)CS进行数据队列检测

CS检测其数据队列长度q_m(数据包的个数)m＝1，2，…，M，当q_m＝0时，即队列为空，CS转入休眠状态；否则开始发送前导码。

(4)CS发送前导码

为了降低网络的能耗，CS通常采用休眠的方式。因此，当CS接入到授权频段发送数据时，如果其目的接收节点处于休眠状态，那么CS将无法接收数据，造成数据传输时延。为了解决上述问题，CS采用广播发送前导码的方法建立通信链路。具体来说，当CS接入到空闲信道时，将进行前导码的发送。前导码内含有节点等级信息。前导码由若干个前导码短周期构成，每个前导码短周期分为发送和接收两部分，发送部分进行前导码的发送，接收部分用来等待满足转发条件的邻居节点的ACK响应。

(5)CS进行数据传输

如果CS发送前导码的过程中接收到等级更低的邻居CS的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居CS发送数据包；如果数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功；否则，表示传输失败，下一个周期进行重传。

(6)CS进行前导码响应

发送响应ACK，表示其已经准备接收数据。如果接下来成功接收数据包，则发送确认ACK告知发送节点，然后进入休眠；否则直接进入休眠。

(7)数据重传

若未到重传的最大次数或收到接收CS发出的ACK

(8)CS转入休眠状态

CS关闭收发器，同时打开超时定时器，休眠至当前周期结束。

Claims (8)

1.一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，其特征在于，认知传感节点利用主用户的信道向网关汇报本地传感数据，传感节点根据本地的局部信息计算自己的用于表示其在网络中虚拟位置的等级，发送数据至比自己等级低的传感节点，或者接收比自己等级高的传感节点的数据。

2.一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，其特征在于，在每个休眠-唤醒周期，认知传感节点CS执行以下步骤：

步骤1，频谱感知：CS检测主用户是否正在占用授权频段；主用户未占用授权频段，执行步骤2；否则，执行步骤8；

步骤2，载波监听：CS进行载波监听；当载波监听结果显示信道未被占用时，执行步骤3；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，如果自身不满足转发条件，则执行步骤8，否则执行步骤6；当载波监听结果显示信道忙并且未接收到前导码时，执行步骤8；

步骤3，CS检测自身数据队列长度；当数据队列不为空时，执行步骤4；否则执行步骤8；

步骤4，广播发送前导码：CS在传输数据前，首先发送前导码，用于和邻居节点建立通信链路；

步骤5，数据传输：如果CS发送前导码的过程中接收到等级更低的邻居CS的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居CS发送数据包；如果数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，执行步骤8；否则，表示传输失败，执行步骤7；

步骤6，前导码响应：当发送CS通信范围内符合转发条件的CS为多个时，其中最先唤醒的CS发送响应ACK，准备接收数据；其他符合转发条件的接收CS在检测到信道正忙之后，执行步骤8；如果接收到数据包，则发送确认ACK告知发送CS，执行步骤8；否则，进入步骤7；

步骤7，数据重传：若未到重传的最大次数或收到接收CS发出的ACK，执行步骤1；否则，执行步骤8；

步骤8，休眠：CS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，执行步骤1。

3.根据权利要求2所述的一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述前导码由多个微帧组成，微帧间有间歇，设定间歇时间与微帧持续时间相同，间歇时发送节点收听信号；定义T_m为前导码中微帧传输时间，r_m表示前导码中微帧的个数，

其中T_pr为前导码持续时间；前导码中包含发送CS的等级，用于接收CS判断是否满足转发条件。

4.根据权利要求2所述的一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述转发条件为收到前导码的接收CS自身等级低于前导码中的等级。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述等级由节点的剩余能量E和平均成功传输时间决定。

6.根据权利要求5所述的一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述等级通过下式实现：R_i＝ω₁·E_i+ω₂·ASTT_i，其中ω₁≥0和ω₂≥0为权值，且满足ω₁+ω₂＝1；R_i表示节点i的等级，ASTT_i表示第i个认知传感节点的平均成功传输时间，E_i表示第i个认知传感节点的剩余能量。

7.根据权利要求6所述的一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述平均成功传输时间具体如下：ASTT_i＝(r_mT_m+2T_d+τ)×ETX_i，其中T_d表示数据帧的传输时间，τ为节点由睡眠转醒的时间，T_m为前导码中微帧传输时间，r_m表示前导码中微帧的个数，ETX_i为第i个节点的期望传输次数；ETX_i＝1/(1-p)^m+d，其中(1-p)^m+d为第i个节点传输成功的概率，p为误码率，m为微帧比特数，d为数据帧比特数。

8.一种无线传感器节点，其特征在于，包括处理器和存储设备，存储设备存储有程序，用于处理器加载并执行权利要求1至权利要求7中任一项所述的一种基于机会转发的认知无线传感器网络路由方法的步骤。

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