[发明专利]无线认知传感网的实现方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种无线认知传感网的实现方法和设备。

背景技术

随着城市化的快速发展以及人口数量的快速增长，世界各地的人口密集区域的人口密度也随即快速增加，而且，伴随着人类社会性活动的增加，大型的活动或集会也日益频繁，在这样的大型活动或集会发生时，往往造成数据信息的瞬间爆发式增长，给现有通信系统带来极大的压力。

不仅如此，如果在这样的地区发生突发紧急事件(诸如地震、泥石流、火灾、恐怖袭击等)，往往会对通信系统产生大范围的破坏，而现有的恢复方案或补救措施需要大量的人力物力的投入，而且危险性高，恢复效率低。加之在突发紧急事件中大量应急业务瞬间爆发式增长，海量呼叫使得网络话务量大幅度增加，其结果将致使网络拥塞，通信服务质量大大降低，影响突发紧急事件的处理，造成生命财产的损失，甚至危害社会稳定和国家安全。

为了应对这样的问题，现有技术中提出了无线传感网技术。

无线传感网是由大量随机分布的廉价传感器节点组成的无线自组织网络，它的主要特点就是自组织、自愈合，能够适应复杂多变的环境。同时，无线传感网无需大量布线，是可以利用无线网络进行信息传输的新技术。

这些特点使得无线传感网非常适于提供应急通信业务。现有的无线传感网都工作在无需授权的ISM(Industrial Scientific Medical，即一种开放给工业、科学、医学三个主要机构使用的频段)频段(如2.4G)，这些公用频段无需授权许可就可以使用。

但是，随着各种无线通信新技术，如WiFi、蓝牙、Zigbee、Wimax等的广泛应用，导致ISM频段日益拥挤，并且干扰严重。

因此，为了解决无线传感网频谱资源有限的问题，可以在无线传感网中引入认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术，使具有认知功能的传感节点感知周围频谱环境中的频谱空穴，并通过自适应地调整通信参数以合法高效的机会接入授权频谱，实现应急通信链路动态频谱接入，保障应急通信链路的质量，并提高授权频谱利用率的目的。

作为一种面向应急业务的全新的信息获取和处理技术，无线认知传感网是对现有无线传感网的智能增强，具有认知功能的传感节点可以随处移动，网络拓扑动态拓展，传感节点灵活接入授权频谱，实时获取事件现场信息，在应急通信领域中具有广阔的应用前景。

如图1所示，为现有技术中的无线认知传感网的应用场景示意图。

考虑一个无线认知传感网，由一个无线传感网和M个授权网络构成。其中，无线传感网采用分级结构，网络被分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员构成。无线传感网按照时隙的方式工作，传感节点通过其所在簇内的簇头结点向集中控制节点(Centralized Control Node，CCN)上报传输需求。考虑到传感节点的能量消耗等问题，假设每个传感节点在一个时隙内最多能感知N_sense个窄带频段。传感节点的移动服从λ_s的泊松分布。

假设任一授权网络m(1≤m≤M)的总频宽为B_m Hz，可被分为多个固定长度为BHz的窄带，B为频段划分以及资源分配的最小单位。所有的授权频段被分为N组，其中每个组的频段只属于一个授权网络；同时一个授权网络的所有频段也可以分成若干组。每个频段组可以分配给多个传感节点。

在常规的无线认知传感网中，其主要的网络构件形式主要包括集中式组网和分布式组网。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

为全面获取事件现场的信息，无线认知传感网需要随机部署大量传感节点，这些传感节点需要在很宽的频带上进行频谱检测，因此，分布式网络组网不适合这种大尺度，频谱时变的场景，主要原因包括：

(1)传感节点受硬件复杂度的限制，宽带频谱检测的实现代价较高，单个传感节点在一定时间内所能感知的频谱范围十分有限；而且现有的传感节点主要依靠电池供电，持续的信号检测将极大消耗其有限的能量，减少其生存时间。

(2)随着分布式网络中传感节点个数的增加，节点交互的信息量将呈指数级增长，节点间信令的交互会导致冗余开销。

(3)频谱资源的状态是时变的，即使每个频段组中用户的个数是可知的，新的传感节点也难以很快找到最优的频段组并接入。

另一方面，集中式组网也存在一些问题，比如在大尺度无线传感网中，集中控制将增大传输时延并降低系统容量。