[发明专利]一种CRSNs中基于认知与源感知节点分离的媒体访问控制方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感网络技术领域，涉及一种CRSNs中基于认知与源感知节点分离的媒体访问控制方法。

背景技术

21世纪以来，无线通信技术、微芯片制造等技术的进步促进了WSN的大规模部署应用与发展。然而，工作在免授权工业、科学、医学频段(Industrial Scientific Medical，ISM)的WSN与其它无线通信技术(如Wifi、蓝牙、Wimax、Zigbee等)共用频谱，导致各种无线设备间的干扰日益严重，进而影响了WSN的服务质量及其继续发展。

由于认知无线电(cognitive radio，CR)能够动态地改变其操作参数、感知频谱、确定空闲频带，并伺机使用这些可用频带。为此，一些研究人员提出将CR技术引入WSN，使得每一个传感器节点都具有频谱感知、动态改变发射参数的功能，构成认知无线传感器网络(cognitive radio sensor network，CRSN)，通过认知功能动态地感知频谱空洞并伺机接入以在授权频段工作，从而提高整体频谱利用率。

与传统WSN相比，CRSN在动态频谱接入、并发数据的伺机信道使用、适应性地降低能耗、多个异构WSN的重叠部署、不同频谱管理政策下工作方面拥有巨大的优势，具有重大应用价值和远大的发展前景，也被认为是下一代WSN。

MAC(medium access control)媒体访问控制协议通过协调控制节点接入频谱的方式，为WSN提供了一种在能量有效的前提下尽可能增加吞吐量、降低干扰的方法，故而设计一种有效的MAC协议将对网络性能产生重要影响。WSN的MAC协议主要用于协调接入频谱时减少干扰以及数据包碰撞。在设计MAC协议时需考虑WSN自身的特点如节点分散部署、非集中控制、不稳定的链路、无规律的数据包到达以及网络长期运行等。

在设计CRSN中的MAC的关键问题包括：①在主用户存在的情况下，有效地控制和调度网络中的节点合理地使用空闲频段，使传感器节点在不影响主用户通信的情况下伺机的利用多信道进行数据传输；②在传感器节点处理能力及能源有限的前提下尽可能的降低协议工作机制的复杂性，以使传感器节点在频谱认知功能的辅助下能有效地工作；③以及在兼顾上述问题的同时尽可能的减少节点能耗，同时在节点能耗与其他网络性能之间例如吞吐量和时延等取得平衡。

现有的CRSN中的MAC协议可分为基于分簇网络的MAC协议和基于分布式的MAC协议两类。首先，基于分簇的MAC协议是将CRSN中的节点按照一定的算法分为若干个簇，每个簇中有一个簇头节点(cluster head，CH)和若干个成员节点(cluster member，CM)，CH节点完成簇内调度工作，包括簇内CM节点睡眠-唤醒调度、信道分配、接收并融合CM节点汇总的数据以及数据转发等。基于分簇的MAC协议便是通过CH节点为CM节点分配空闲频谱来完成网络的工作调度，并结合载波监听多址接入、时分复用等技术完成节点间通信。在基于分布式的MAC协议中，网络中的节点工作并未受到统一调度，节点间的通信由发送节点和接收节点协作完成，每一对发送节点和接收节点之间独立的进行控制包和数据包的传输。

现有的CRSN中基于分簇网络的MAC协议，其主要缺点在于网络的分簇算法还采用WSN网络中的一些传统的分簇方法，并未验证这些算法在CRSN中的适用性，例如在CRSN中，每一个节点都具备频谱认知功能，同时也引入了空闲频谱协商过程，各节点的信息处理能力和能量消耗都有了显著提高，传统的分簇方法显然无法直接适用于CRSN，进而在分簇网络中的MAC协议设计也难以保证可靠性。

与传统WSN相比，CRSN中的传感器节点额外增加了频谱感知、频谱切换等功能，极大消耗了传感器节点本已受限的能量和处理能力；另外，CRSN传感器节点处理能力有限，常常需要多个传感器节点进行协作频谱感知然后通过协调器融合判决，他们之间感知信息的相互交流也导致了大量的能耗。这些由认知功能带来的额外的能耗和处理要求与传感器节点固有的资源约束产生了巨大的矛盾，极大地增加了功率高效的认知传感器节点的设计难度。如果不加以解决，将极大地缩短了CRSN生存时间，阻碍CRSN发展与应用。