[發明專利]基于控制信道的單天線無線傳感器網絡動態頻譜接入方法

有效

• 申請號: 201110280831.5
• 申請日: 2011-09-20
• 公開（公告）號: CN103024748A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 肖榕;蔣鈴鴿;何晨;田軍;呂超
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;富士通株式會社
• 主分類號: H04W16/10
• 分類號: H04W16/10;H04W16/14
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王毓理

技術領域

本發明涉及的是一種無線傳感器網絡技術領域的方法，具體是一種能夠有效地提高無線傳感器網絡的吞吐量和時延性能，同時能夠很好地避免其他網絡的干擾，特別適用于在ISM公共頻段工作的無線傳感器網絡的基于控制信道的單天線無線傳感器網絡動態頻譜接入方法。

背景技術

近些年來，工作在未授權頻段的無線傳感器網絡(WSN)的應用越來越廣泛。然而，有證據顯示現有的未授權頻段正變得越來越擁擠。另一方面，隨著近期認知無線電(CR)技術的發展，人們可以將動態頻譜接入(DSA)模型應用到無線傳感器網絡中，以接入到非擁塞的頻段，或者擁有更好傳播特性的頻段。

動態頻譜接入是資源受限的多跳無線傳感器網絡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絡的事件驅動的通信特點，即無線傳感器網絡總是產生類似于事件特征的突發數據流。另外，動態頻譜接入也可以幫助多覆蓋的傳感器網絡實現調度，并可以消除碰撞和大密度的節點部署引起的過競爭時延。Akan?O.B.和Karli?O.B.在參考文獻“CognitiveRadio?Sensor?Networks(認知無線電傳感器網絡)”中公開了CRSN的設計準則，潛在優勢，應用領域和網絡架構。作者討論了現有的為認知無線電網絡和無線傳感器網絡設計中的通信協議和算法并研究了實現CRSN的方法。作者還公開了各種頻譜感知技術的概況。

現有的很多DSA算法都引入了一個公共控制信道(CCC)來進行協商。在公共控制信道上使用控制信號來協調通信過程。Zhiwu?L.和Wei?W.在參考文獻“A?Dynamic?Multi-radioMulti-channel?MAC?Protocol?for?Wireless?Sensor?Networks(一種動態的多天線多信道無線傳感器網絡MAC協議)”中，提出了無線傳感器網絡中的一種動態多天線多信道介質接入控制(DMMA)算法。這種算法可以根據頻譜環境的變化動態地選擇信道，還能使網絡更容易抵抗來自外部環境的干擾。同時，考慮到能量效率，DMMA使用一種睡眠機制來減少能量消耗。在DMMA算法中，節點使用兩個天線，一個被稱為控制天線，另一個是數據天線。控制天線用來發送控制消息并工作在控制信道。數據天線用來發送數據并可以工作在多個數據信道上面。該方案當控制信道是固定的，并不受外部環境的干擾。作者使用RTS/CTS機制來協商數據傳輸過程，并且在RTS/CTS中加入了空閑信道信息。

還有學者提出了一些不需要公共控制信道的動態頻譜接入算法。Hang?S.和Xi?Z.在參考文獻“Channel-hopping?based?single?transceiver?MAC?for?cognitive?radio?networks(基于跳頻的單天線認知無線電網絡MAC協議)”中提出了同步無線網絡中的基于跳頻的認知無線電介質接入控制(MAC)協議。在該網絡中，次用戶能夠在不對主用戶產生干擾的前提下，適時地利用空閑的授權頻段。根據作者提出的方案，次用戶根據它們自身的跳頻序列在授權頻段不斷切換信道。特別地，當某個次用戶源節點想要給某個次用戶目的節點發送數據包時，該源節點根據目的節點的跳頻序列改變自己的信道切換規則。只要目的節點的信道當前沒有被主用戶使用，源節點和目的節點就能夠達成協商，并傳輸數據包。

在以前的對動態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，一個天線用來偵聽控制信道，另一個用來偵聽數據信道。而使用跳頻法的動態頻譜接入算法對硬件的要求比較高，同時具有很高的能耗，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絡。因此，在低功耗的單天線無線傳感器網絡中實現簡單高效可行的動態頻譜接入算法，使之能夠很好地接入頻譜空洞，避免其他網絡干擾，又具有很好的吞吐量時延性能，有著十分廣闊的應用空間。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于控制信道的單天線無線傳感器網絡動態頻譜接入方法，針對目前無線設備在ISM頻段的擁塞，同時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絡在ISM頻段的共存問題，該方法能保障無線傳感器網絡節點充分利用頻譜資源，有效地接入到頻譜空洞并最大限度地避免外界干擾，同時具有良好的吞吐量和時延性能，特別適用于低功耗的單天線無線傳感器網絡。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過網絡中的源節點和目的節點在控制信道中通過交換控制包以協商確定數據信道，然后通過在數據信道進行數據通信后進行信道狀態更新處理得以實現。