專利名稱：基于控制信道的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜接入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種能夠有效地提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和時(shí)延性能，同時(shí)能夠很好地避免其他網(wǎng)絡(luò)的干擾，特別適用于在ISM公共頻段工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于控制信道的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜接入方法。
背景技術(shù)：
近些年來，工作在未授權(quán)頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的應(yīng)用越來越廣泛。然而， 有證據(jù)顯示現(xiàn)有的未授權(quán)頻段正變得越來越擁擠。另一方面，隨著近期認(rèn)知無線電(CR)技術(shù)的發(fā)展，人們可以將動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)模型應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，以接入到非擁塞的頻段，或者擁有更好傳播特性的頻段。
動(dòng)態(tài)頻譜接入是資源受限的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種有前途的和頻率高效的通信方法。這決定于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件驅(qū)動(dòng)的通信特點(diǎn)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總是產(chǎn)生類似于事件特征的突發(fā)數(shù)據(jù)流。另外，動(dòng)態(tài)頻譜接入也可以幫助多覆蓋的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)調(diào)度，并可以消除碰撞和大密度的節(jié)點(diǎn)部署引起的過競爭時(shí)延。Akan O. B.和Karli O. B.在參考文獻(xiàn)“CognitiveRadio Sensor Networks (認(rèn)知無線電傳感器網(wǎng)絡(luò))”中公開了 CRSN的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，潛在優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。作者討論了現(xiàn)有的為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的通信協(xié)議和算法并研究了實(shí)現(xiàn)CRSN的方法。作者還公開了各種頻譜感知技術(shù)的概況。
現(xiàn)有的很多DSA算法都引入了一個(gè)公共控制信道(CCC)來進(jìn)行協(xié)商。在公共控制信道上使用控制信號(hào)來協(xié)調(diào)通信過程。Zhiwu L.和Wei W.在參考文獻(xiàn)“A Dynamic Mu111-radioMuIt1-channeI MAC Protocol for Wireless Sensor Networks ( 一種動(dòng)態(tài)的多天線多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議)”中，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種動(dòng)態(tài)多天線多信道介質(zhì)接入控制(DMMA)算法。這種算法可以根據(jù)頻譜環(huán) 境的變化動(dòng)態(tài)地選擇信道，還能使網(wǎng)絡(luò)更容易抵抗來自外部環(huán)境的干擾。同時(shí),考慮到能量效率，DMMA使用一種睡眠機(jī)制來減少能量消耗。在DMMA算法中，節(jié)點(diǎn)使用兩個(gè)天線，一個(gè)被稱為控制天線，另一個(gè)是數(shù)據(jù)天線。控制天線用來發(fā)送控制消息并工作在控制信道。數(shù)據(jù)天線用來發(fā)送數(shù)據(jù)并可以工作在多個(gè)數(shù)據(jù)信道上面。該方案當(dāng)控制信道是固定的，并不受外部環(huán)境的干擾。作者使用 RTS/CTS機(jī)制來協(xié)商數(shù)據(jù)傳輸過程，并且在RTS/CTS中加入了空閑信道信息。
還有學(xué)者提出了一些不需要公共控制信道的動(dòng)態(tài)頻譜接入算法。Hang S.和Xi Z.在參考文獻(xiàn)“Channel-hopping based single transceiver MAC for cognitive radio networks (基于跳頻的單天線認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議)”中提出了同步無線網(wǎng)絡(luò)中的基于跳頻的認(rèn)知無線電介質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議。在該網(wǎng)絡(luò)中，次用戶能夠在不對主用戶產(chǎn)生干擾的前提下，適時(shí)地利用空閑的授權(quán)頻段。根據(jù)作者提出的方案，次用戶根據(jù)它們自身的跳頻序列在授權(quán)頻段不斷切換信道。特別地，當(dāng)某個(gè)次用戶源節(jié)點(diǎn)想要給某個(gè)次用戶目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，該源節(jié)點(diǎn)根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的跳頻序列改變自己的信道切換規(guī)則。只要目的節(jié)點(diǎn)的信道當(dāng)前沒有被主用戶使用，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)就能夠達(dá)成協(xié)商，并傳輸數(shù)據(jù)包。
在以前的對動(dòng)態(tài)頻譜接入算法的研究中，使用控制信道的算法通常都需要雙天線，一個(gè)天線用來偵聽控制信道，另一個(gè)用來偵聽數(shù)據(jù)信道。而使用跳頻法的動(dòng)態(tài)頻譜接入算法對硬件的要求比較高，同時(shí)具有很高的能耗，這兩種方法都不適用于普通的單天線低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，在低功耗的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)簡單高效可行的動(dòng)態(tài)頻譜接入算法，使之能夠很好地接入頻譜空洞，避免其他網(wǎng)絡(luò)干擾，又具有很好的吞吐量時(shí)延性能，有著十分廣闊的應(yīng)用空間。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于控制信道的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜接入方法，針對目前無線設(shè)備在ISM頻段的擁塞，同時(shí)頻譜空洞不能得到有效利用以及低功耗的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在ISM頻段的共存問題，該方法能保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充分利用頻譜資源，有效地接入到頻譜空洞并最大限度地避免外界干擾， 同時(shí)具有良好的吞吐量和時(shí)延性能，特別適用于低功耗的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在控制信道中通過交換控制包以協(xié)商確定數(shù)據(jù)信道，然后通過在數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信后進(jìn)行信道狀態(tài)更新處理得以實(shí)現(xiàn)。
所述的網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)、不受其它網(wǎng)絡(luò)或用戶干擾的一個(gè)公共的控制信道和若干個(gè)相互間等價(jià)且具有相同的帶寬的數(shù)據(jù)信道組成。
所述的節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有定時(shí)器和存有可用信道列表以及包含各個(gè)數(shù)據(jù)信道的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重的數(shù)據(jù)庫。
所述的控制包包括RTS (請求發(fā)送)包、CTS (清除發(fā)送)包和BCTS (廣播清除發(fā)送)包，其中
所述的RTS包內(nèi)包含源節(jié)點(diǎn)的可用信道列表以及源節(jié)點(diǎn)預(yù)估的需要占用控制信道的時(shí)間T11和占用數(shù)據(jù)信道的時(shí)間T21 ；
所述的CTS包內(nèi)包含目的節(jié)點(diǎn)選定的數(shù)據(jù)信道號(hào)以及預(yù)估的需要占用控制信道的時(shí)間T12和占用數(shù)據(jù)信道的時(shí)間T22 ；
所述的BCTS包內(nèi)包含目的節(jié)點(diǎn)選定的數(shù)據(jù)信道號(hào)，以及源節(jié)點(diǎn)預(yù)估的需要占用控制信道的時(shí)間T13和占用數(shù)據(jù)信道的時(shí)間τ23。
所述的協(xié)商確定是指源節(jié)點(diǎn)通過CSMA/CA (載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突檢測)機(jī)制競爭到控制信道之后向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTS包；當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)在收到RTS包之后，回給源節(jié)點(diǎn)一個(gè)CTS包；源節(jié)點(diǎn)在收到CTS包之后反饋給目的節(jié)點(diǎn)一個(gè)BCTS包并且網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)CTS包或BCTS包進(jìn)行可用信道列表更新。
所述的CTS包內(nèi)的目的節(jié)點(diǎn)選定的數(shù)據(jù)信道通過以下方式獲得首先目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的可用信道列表和目的節(jié)點(diǎn)本身的可用信道列表的交集作為可選的信道集，然后選取交集中對應(yīng)源節(jié)點(diǎn)的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重最大的信道作為選定的數(shù)據(jù)信道。
所述的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重通過讀取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫獲得。
所述的可用信道列表更新是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在控制信道上偵聽到CTS包或 BCTS包后①根據(jù)T12或T13更新該節(jié)點(diǎn)本身的NAV (網(wǎng)絡(luò)分配矢量)并標(biāo)記控制信道在該對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)忙；
②根據(jù)T22或T23更新選定的數(shù)據(jù)信道對應(yīng)的定時(shí)器，并標(biāo)記該數(shù)據(jù)信道在該對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)不可用，繼而更新該節(jié)點(diǎn)本身的可用信道列表。
所述的網(wǎng)絡(luò)分配矢量是指用于指示控制信道忙閑狀態(tài)的定時(shí)器。
所述的更新該節(jié)點(diǎn)本身的可用信道列表是指根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，以以下條件更新多維數(shù)組，該多維數(shù)組的維數(shù)等于數(shù)據(jù)信道的總數(shù)當(dāng)該數(shù)據(jù)信道對應(yīng)的定時(shí)器超時(shí)，則判定該數(shù)據(jù)信道可用，并標(biāo)注其所對應(yīng)的數(shù)組的元素為I;否則則標(biāo)注為O。
所述的信道狀態(tài)更新處理是指源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在通信結(jié)束后返回至控制信道，并更新各自對于對方節(jié)點(diǎn)的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重。
所述的對于對方節(jié)點(diǎn)的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重是指最近若干次與該對方節(jié)點(diǎn)在一數(shù)據(jù)信道上的通信結(jié)果的回報(bào)均值，具體為對于任一節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)信道j上對于該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)i的優(yōu)先級(jí)權(quán)重為-Aj，其中T為時(shí)間窗口長度，Ot為該節(jié)點(diǎn)最近第t次和
權(quán)利要求
1.一種基于控制信道的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜接入方法，其特征在于，通過網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在控制信道中通過交換控制包以協(xié)商確定數(shù)據(jù)信道，然后通過在數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信后進(jìn)行信道狀態(tài)更新處理得以實(shí)現(xiàn)； 所述的控制包包括RTS包、CTS包和BCTS包，其中 所述的RTS包內(nèi)包含源節(jié)點(diǎn)的可用信道列表以及源節(jié)點(diǎn)預(yù)估的需要占用控制信道的時(shí)間T11和占用數(shù)據(jù)信道的時(shí)間T21 ； 所述的CTS包內(nèi)包含目的節(jié)點(diǎn)選定的數(shù)據(jù)信道號(hào)以及預(yù)估的需要占用控制信道的時(shí)間T12和占用數(shù)據(jù)信道的時(shí)間T22 ； 所述的BCTS包內(nèi)包含目的節(jié)點(diǎn)選定的數(shù)據(jù)信道號(hào)，以及源節(jié)點(diǎn)預(yù)估的需要占用控制信道的時(shí)間T13和占用數(shù)據(jù)信道的時(shí)間T23。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的協(xié)商確定是指源節(jié)點(diǎn)通過CSMA/CA機(jī)制競爭到控制信道之后向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTS包；當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)在收到RTS包之后，回給源節(jié)點(diǎn)一個(gè)CTS包；源節(jié)點(diǎn)在收到CTS包之后反饋給目的節(jié)點(diǎn)一個(gè)BCTS包并且網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)CTS包或BCTS包進(jìn)行可用信道列表更新。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的CTS包內(nèi)的目的節(jié)點(diǎn)選定的數(shù)據(jù)信道通過以下方式獲得首先目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的可用信道列表和目的節(jié)點(diǎn)本身的可用信道列表的交集作為可選的信道集，然后選取交集中對應(yīng)源節(jié)點(diǎn)的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重最大的信道作為選定的數(shù)據(jù)信道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重通過讀取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫獲得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的可用信道列表更新是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在控制信道上偵聽到CTS包或BCTS包后 ①根據(jù)T12或T13更新該節(jié)點(diǎn)本身的NAV(網(wǎng)絡(luò)分配矢量)并分配控制信道在該對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)忙； ②根據(jù)T22或T23更新選定的數(shù)據(jù)信道對應(yīng)的定時(shí)器，并標(biāo)記該數(shù)據(jù)信道在該對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)不可用，繼而更新該節(jié)點(diǎn)本身的可用信道列表。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的網(wǎng)絡(luò)分配矢量是指用于指示控制信道忙閑狀態(tài)的定時(shí)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的更新該節(jié)點(diǎn)本身的可用信道列表是指根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，以以下條件更新多維數(shù)組，該多維數(shù)組的維數(shù)等于數(shù)據(jù)信道的總數(shù)當(dāng)該數(shù)據(jù)信道對應(yīng)的定時(shí)器超時(shí)，則判定該數(shù)據(jù)信道可用，并標(biāo)注其所對應(yīng)的數(shù)組的元素為I ;否則則標(biāo)注為O。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的信道狀態(tài)更新處理是指源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在通信結(jié)束后返回至控制信道，并更新各自對于對方節(jié)點(diǎn)的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重。
9.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征是，所述的對于對方節(jié)點(diǎn)的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重是指最近若干次與該對方節(jié)點(diǎn)在一數(shù)據(jù)信道上的通信結(jié)果的回報(bào)均值
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征是，所述的對于對方節(jié)點(diǎn)的信道優(yōu)先級(jí)權(quán)重具體為對于任一節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)信道j上對于該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)i的優(yōu)先級(jí)權(quán)重為
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的基于控制信道的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜接入方法，通過網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在控制信道中通過交換控制包以協(xié)商確定數(shù)據(jù)信道，然后通過在數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信后進(jìn)行信道狀態(tài)更新處理得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明針對目前無線設(shè)備在ISM頻段的擁塞，同時(shí)頻譜空洞不能得到有效利用以及低功耗的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在ISM頻段的共存問題，能保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充分利用頻譜資源，有效地接入到頻譜空洞并最大限度地避免外界干擾，同時(shí)具有良好的吞吐量和時(shí)延性能，特別適用于低功耗的單天線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04W16/14GK103024748SQ20111028083
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者肖榕, 蔣鈴鴿, 何晨, 田軍, 呂超 申請人:上海交通大學(xué), 富士通株式會(huì)社