[发明专利]一种认知无线电传感器网络信息传输方法

说明书

技术领域

本发明有效利用了网络中传感器节点实时感知的可用频谱，通过动态频谱分配建立从数据源节点至汇聚节点的转发路径，以获得网络吞吐量和生命周期的最大化，应用于认知无线电传感器网络(CRSN，Cognitive Radio Sensor Network)中信息的传输。

背景技术

认知无线电(CR，Cognitive Radio)是近几年兴起的无线通信概念与技术，它能够感知目前通信环境中所有的频谱使用机会。无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是近年来信息领域的另一研究热点，它以其低功耗、低成本、分布式和自组织等特点带来了信息感知的一场变革。将认知无线电带来的优越性，如改善频谱利用率、提高通信质量等，与资源受限情况下多跳WSN相结合，能够有效利用频谱，具有广阔的应用前景。因此，很自然地会将认知无线电技术与无线传感器网络相结合，从而产生出一种新型的传感器网络结构，即认知无线电传感器网络(CRSN，Cognitive Radio Sensor Network)。

由于CRSN使用的频谱资源是通过检测的方式获得的，故CRSN本质上具有频谱动态变化特性。同时，作为无线传感器网络，必须关注网络生命期的最大化，这主要反映在能量均衡和能量消耗最小化等方面。传统Ad Hoc网络和传统WSN中的路由协议不能很好地适应CRSN的上述特性，而已有的研究中，有的是讨论在CR环境下路由协议设计应该注意的问题，但并未给出相应的解决方法，有的仅仅是针对CRN或者WSN给出路由算法，但并不完全适合CRSN环境，因此设计能够反映CRSN特点并适合于在CESN中工作的路由协议显得非常迫切。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在CRSN中提供一种一种认知无线电传感器网络信息传输方法，该方法能够获得网络吞吐量和生命周期的最大化。

技术方案：本发明是一种认知无线电传感器网络信息传输方法，它包括五个过程：周期频谱感知过程，广播或转发路由请求过程，可用频谱和通信功率协商过程，路由建立过程和路由维护过程。

本发明的联合路由协议和信息传输方法将分布式频谱分配和路由选择相结合。首先，当源节点需要向汇聚节点发送数据时将广播路由请求(RREQ，Routing Request)，其邻居节点在收到该请求后与该节点进行可用频谱和通信功率的协商；然后，在有多条链路可用时，源节点计算各链路的使用代价并储存，可用链路中的诸节点依次转发路由请求直至汇聚节点；最后，当汇聚节点收到源节点的RREQ后，发起路由建立请求，各节点根据存储的代价，分布式地确定具有最小转发代价的路径，以获得网络吞吐量和生命周期的最大化。该方法包括如下5个过程并按所述顺序进行：

1)周期频谱感知过程：网络中各传感器节点周期性地进行频谱感知，该感知过程可以是独立进行的，也可以是协作完成的，

2)广播或转发路由请求过程：当源节点需要向汇聚节点发送数据时将广播RREQ，其邻居节点在收到该请求后与该节点进行可用频谱和通信功率的协商，在有多条链路可用时，源节点计算各链路的使用代价并储存，可用链路中的诸节点依次转发路由请求直至汇聚节点，

3)可用频谱和通信功率协商过程：该过程以最大化网络吞吐量和生命周期为目标，并通过线性加权形成代价函数，节点收到邻居节点RREQ后，以最小化两点间链路使用代价为目标，与该邻居节点进行可用频谱和通信功率的协商，

4)路由建立过程：当汇聚节点收到源节点的RREQ后，发起路由发现请求，各节点根据储存的代价，以最小化步骤3)中所述代价函数为目标，分布式地确定转发路径，

5)路由维护过程：采用路由错误分组和确认分组进行路由维护，当路由因为网络拓扑的改变而不能使用时，断链处的节点以自己为数据源节点，重新广播路由请求，协商可用频谱和通信功率直至汇聚节点以转发剩余数据。

所述的转发路由请求过程两个方面：一方面，当且仅当该邻居节点到汇聚节点的距离大于自身到汇聚节点的距离时，节点才接受该路由请求，否则丢弃请求；另一方面，若协商表明两个节点之间没有可用的频谱，即在已知该时刻链路不可达的情况下，节点不转发路由请求。路由请求转发流程如图2所示。

通信频谱和通信功率协商方法以最大化网络吞吐量和生命周期为目标，给出了多目标优化函数，以线性加权和法将多目标函数转化为单目标函数，通过化简变形该单目标函数得出转发路径代价函数。各节点对以最小化两点间链路使用代价为目标，进行可用频谱和通信功率的协商。