[发明专利]基于认知功能和传感器节点分离的CRSN频谱感知方法

说明书

本发明涉及一种认知无线传感器网络中基于认知功能和传感器节点分离的频谱感知方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法将网络中的认知功能和传感器节点分离，传感器节点只负责源感知，而认知功能则搬移至CRSN中的其他专用节点，称为认知节点，由认知节点负责频谱感知，运用连续离散二进制混合粒子群算法，在选择感知节点的同时来调节感知节点的发射功率，使得频谱感知在满足给定感知性能的前提下，最小化能量消耗。本发明提供的一种认知无线传感器网络中基于认知功能和传感器节点分离的频谱感知方法，解决了认知功能带来的额外能耗和处理要求与传感器节点有限资源的矛盾，解决了CRSN高成本实现与其低成本实现要求的矛盾。

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，涉及一种基于认知功能和传感器节点分离的CRSN频谱感知方法。

背景技术

现有的WSN大都工作在无需授权的工业、科学、医学频段(Industrial ScientificMedical，ISM)。这些公用频段正随着各种新的无线通信技术的兴起(如Wifi、蓝牙、Wimax、Zigbee等)而变得日益拥挤，导致工作于ISM频段的各种无线设备之间的干扰日趋严重。例如有研究表明在同时工作时，IEEE 802.11网络会明显降低802.15.4/Zigbee网络的性能，因而工作在ISM频段的异构无线通信系统共存问题已成为WSN继续发展的瓶颈。

根据美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)的一份报告，基于现有频谱管理政策，绝大部分已经分配的频谱无论是在时间上还是空间上都利用不足，仅在15％至85％之间。鉴于认知无线电(Cognitive Radio，CR)能够通过利用动态频谱分配技术极大地提高频谱利用率，一些研究人员在WSN中引入CR技术，即在每个传感器上都装载一个具有认知功能的设备，伺机利用暂未使用的频谱段，以缓解WSN频谱极度紧张的局面以及解决多个异构无线通信系统(WSN)共存导致的相互干扰问题。这种在传感器节点上装载CR设备的WSN称为认知无线传感器网络(Cognitive Radio Sensor Network，CRSN)。

在无线传感器网络中采用认知无线电技术，使传感器网络节点可以实时感知周围环境中的频谱信息，获取可用频谱资源，在通信过程中能够动态选择未被占用的频谱资源来完成通信过程。这样，不仅能缓解公用频段的拥挤状况，并且可提高网络对空闲频谱的利用率，增加节点可选的工作带宽；由于节点可以动态地去选择空闲信道工作，减少了节点因竞争信道而带来的等待和冲突，因此可以提高网络的吞吐量并缩短网络的通信时延。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。

然而，在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，无线认知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，将极大地缩短了CRSN生存时间，阻碍CRSN发展与应用。

CR接收机的灵敏度远高于普通传感器节点所用的接收机，在每一个传感器节点上都装载一个CR接收机，因而极大地增加了认知传感器节点的生产成本，这与CRSN低成本实现的要求相矛盾的。为了解决这一矛盾，我们将认知功能与传感器节点分离，传感器节点不再承担频谱感知功能，只负责源感知，而认知功能则搬移至CRSN中的其他专用节点，有这些专用节点负责频谱感知。这种认知功能与传感器节点分离的WSN称之为基于认知功能和传感器节点分离的CRSN(Separate cognitive function and sensor based CRSN，S-CRSN)。