李鑫濱，黃澤群，韓 松，陳劍美

（燕山大學(xué)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004）

1 引言

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)普遍工作在日益擁擠的ISM頻段，為解決網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源匱乏的問題，可在傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入認(rèn)知無線電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對頻譜資源的有序競爭訪問和高效共享的動態(tài)頻譜分配機(jī)制[1,2]。引入認(rèn)知無線電技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為CRSN（cognitive radio sensor network，無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)）。CRSN能夠減少節(jié)點(diǎn)因競爭信道而造成的等待、沖突和能量損耗，提高頻譜資源的利用效率[3]。

CRSN在分享授權(quán)頻譜時(shí)不能對PU（primary user，主用戶）造成有害干擾，因此其動態(tài)頻譜接入過程需要考慮公共控制信道的選擇、數(shù)據(jù)信道的分配以及傳輸幀長度的確定等問題[4]。參考文獻(xiàn)[5]基于圖論給出了具有頑健性的CRSN信道分配方法，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信范圍，使網(wǎng)絡(luò)具備在PU到達(dá)后通過備選信道維持節(jié)點(diǎn)間通信的能力，但忽略了網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾問題。參考文獻(xiàn)[6]給出了在CRSN中節(jié)點(diǎn)避免對PU造成有害干擾的判斷條件，以信道可占用時(shí)長與傳感器節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)時(shí)長實(shí)現(xiàn)最佳匹配為原則完成信道分配，其中可占用時(shí)長規(guī)定為固定平均時(shí)長，實(shí)際該時(shí)長應(yīng)服從一定概率分布。參考文獻(xiàn)[7]指出網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間制約著傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，因此在降低系統(tǒng)能量開銷的同時(shí)需平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的剩余能量，并由此提出一種平衡網(wǎng)絡(luò)能量狀況的樹狀路由協(xié)議。參考文獻(xiàn)[8]在CRSN中按照最小化節(jié)點(diǎn)間剩余能量方差的準(zhǔn)則完成集中式信道分配任務(wù)，以達(dá)到平衡節(jié)點(diǎn)間剩余能量、延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。參考文獻(xiàn)[9]指出在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)存在增大傳輸數(shù)據(jù)分組以降低控制信息開銷與減小傳輸數(shù)據(jù)分組以降低誤分組率之間的矛盾，因此以優(yōu)化系統(tǒng)傳輸能耗為目標(biāo)，提出一種動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)分組大小的方法，并證明了數(shù)據(jù)分組大小的動態(tài)調(diào)節(jié)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的可行性。參考文獻(xiàn)[10]在CRSN中提出了數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)信道狀況和節(jié)點(diǎn)信息調(diào)節(jié)傳輸數(shù)據(jù)分組大小，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)腅PB（energy-consumption per bit，每比特平均能耗）。

本文依據(jù)節(jié)點(diǎn)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則將節(jié)點(diǎn)按傳輸條件劃分為兩類，具備持續(xù)傳輸條件的節(jié)點(diǎn)能夠以犧牲較多傳輸能耗為代價(jià)提高數(shù)據(jù)分組的傳輸成功率，避免了節(jié)點(diǎn)在不具備持續(xù)傳輸條件下因重復(fù)傳輸造成的資源浪費(fèi)。但是對于能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，提高能量使用效率是至關(guān)重要的[11]，因此本文以PU平均到達(dá)次數(shù)作為評估信道優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，基于節(jié)點(diǎn)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則給出了一種集中式信道分配策略，同時(shí)對數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)配置

為了更好地實(shí)現(xiàn)對本地信道的動態(tài)管理和對控制信息的傳輸，CRSN采用異構(gòu)分級式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。每個簇內(nèi)包含一個CH（cluster head，簇首）和若干CM（cluster members，簇成員）。CH具備較強(qiáng)的計(jì)算、存儲和通信覆蓋能力，并配有動態(tài)頻譜管理模塊完成集中式信道分配任務(wù)。CM配有認(rèn)知無線電收發(fā)器，具備動態(tài)配置通信參數(shù)接入指定信道完成傳輸任務(wù)的能力。

圖1 CRSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

同時(shí)每個簇內(nèi)均包含固定的公共控制信道和若干個不同的數(shù)據(jù)信道，公共控制信道用來實(shí)現(xiàn)CH與CM間的控制信息交換，CM通過數(shù)據(jù)信道將采集獲取的環(huán)境信息發(fā)送給CH。本文只考慮單個簇在單一移動PU影響下的信道分配和能量損耗問題，并且一個數(shù)據(jù)信道至多分配給一個傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)認(rèn)為PU位置等信息已在頻譜感知階段由CH間的協(xié)作感知完成。

系統(tǒng)建模為時(shí)隙模型[10]，如圖2所示。每幀由L+1個時(shí)隙構(gòu)成，起始時(shí)隙包含接入控制信息，其余L個時(shí)隙為數(shù)據(jù)信息。因此數(shù)據(jù)分組中所含數(shù)據(jù)量為B×T×L，其中B為數(shù)據(jù)信息傳輸速率，T為數(shù)據(jù)時(shí)隙持續(xù)時(shí)長，L為數(shù)據(jù)分組所占時(shí)隙個數(shù)。

圖2 時(shí)隙模型

本文根據(jù)避免對PU造成有害干擾的判斷條件[6]對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，即節(jié)點(diǎn)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則。當(dāng)節(jié)點(diǎn)CMi與PU在相同信道共同完成傳輸任務(wù)時(shí)，既能滿足傳輸需求又能避免對PU造成有害干擾，那么稱該節(jié)點(diǎn)具備持續(xù)傳輸條件，即滿足：

2.2 能量損耗模型

在簇內(nèi)CH擁有充足能量，而CM的初始能量Ein有限，因此只有CM受到能耗問題的約束。本文采用參考文獻(xiàn)[12]給出的能量損耗模型，節(jié)點(diǎn)CMi在傳輸、接收信息時(shí)產(chǎn)生的能耗可分別用(l,n)和(l,n)表示，即：

其中，為射頻電路平均能耗，εn為放大電路平均能耗系數(shù)，di為節(jié)點(diǎn)CMi與CH間的距離，l為信息所占時(shí)隙個數(shù)。n=1表示該節(jié)點(diǎn)不具備持續(xù)傳輸條件，n=2表示該節(jié)點(diǎn)具備持續(xù)傳輸條件，節(jié)點(diǎn)在公共控制信道完成控制信息交換過程中，n的取值恒為1。

3 信道分配和數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)的優(yōu)化

在CRSN中，當(dāng)CM有傳輸需求時(shí)，通過公共控制信道向CH發(fā)送請求信息，CH根據(jù)信道狀態(tài)和接收到的節(jié)點(diǎn)信息完成信道分配和數(shù)據(jù)分組調(diào)節(jié)，并將結(jié)果通過公共控制信道反饋給CM，CM監(jiān)聽到反饋信息后，根據(jù)分配結(jié)果完成傳輸任務(wù)或進(jìn)入休眠狀態(tài)節(jié)約能耗。

3.1 主用戶模型

PU建模為馬爾可夫更新過程，PU離開信道、到達(dá)信道分別用信道空閑（idle/0）和忙碌（busy/1）表示，如圖 3所示。信道的狀態(tài)變化默認(rèn)只發(fā)生在相鄰時(shí)隙間，且不同信道間不會產(chǎn)生相互干擾。

圖3 PU模型

λc、μc分別表示PU到達(dá)和離開信道c的概率。那么信道c初始狀態(tài)為空閑時(shí)，PU在(0,t]時(shí)間段內(nèi)到達(dá)信道c的平均次數(shù)可用表示。反映了信道c被PU占用的頻度，因此本文以PU平均到達(dá)次數(shù)作為評估信道優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 信道分配

將節(jié)點(diǎn)依據(jù)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則劃分后，若簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在傳輸狀態(tài)下PU到達(dá)，那么不具備持續(xù)傳輸條件的節(jié)點(diǎn)需及時(shí)退出信道，且認(rèn)為當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)分組丟失，而具備持續(xù)傳輸條件的節(jié)點(diǎn)則在完成當(dāng)前數(shù)據(jù)分組傳輸后退出信道，緩解簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)重復(fù)傳輸?shù)臓顩r，同時(shí)改善由節(jié)點(diǎn)重復(fù)傳輸造成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。按上述傳輸原則得到如下的集中式信道分配策略。

設(shè)空閑信道數(shù)量為N，有傳輸需求節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為M，不具備持續(xù)傳輸條件的待分配節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為a，具備持續(xù)傳輸條件的待分配節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為b，即滿足a+b≤N，具體的信道分配步驟如下。

步驟1 待分配信道和待分配節(jié)點(diǎn)的選擇：若M≤N，則在N個信道中選擇M個最好的信道作為待分配信道，有傳輸需求的節(jié)點(diǎn)均作為待分配節(jié)點(diǎn)，此時(shí)a+b=M；若M>N，則在M個有傳輸需求的節(jié)點(diǎn)中選擇剩余能量最多的N個節(jié)點(diǎn)作為待分配節(jié)點(diǎn)，空閑信道均作為待分配信道，此時(shí)a+b=N。

步驟3 信道分配：將Grp1中的待分配信道分配給不具備持續(xù)傳輸條件的待分配節(jié)點(diǎn)，將Grp2中的待分配信道分配給具備持續(xù)傳輸條件的待分配節(jié)點(diǎn)。Grp1、Grp2中信道分配均需滿足Npu較少的信道分配給剩余能量較小節(jié)點(diǎn)的分配原則。

步驟4 分配到信道的節(jié)點(diǎn)配置通信參數(shù)接入指定信道完成傳輸任務(wù)，未分配到信道的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)節(jié)約能耗。

由于簇內(nèi)一定比例節(jié)點(diǎn)的能量耗盡會造成整個簇的信息采集功能失效，即網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間到達(dá)。因此，為了避免節(jié)點(diǎn)因頻繁通信或連續(xù)工作在持續(xù)傳輸條件下造成的大量能量損耗，本文基于節(jié)點(diǎn)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則提出的信道分配策略考慮了平衡簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間剩余能量的分配方法，將節(jié)點(diǎn)間的剩余能量維持在一個相對平衡的狀態(tài)，同時(shí)所提出的分配策略能夠提高數(shù)據(jù)分組的傳輸成功率和能量的使用效率。

3.3 優(yōu)化數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)

在簇內(nèi)，節(jié)點(diǎn)CMi的控制信息交換能耗可用表示，其中包括發(fā)送請求信息以及接收反饋信息產(chǎn)生的能耗，K1表示請求信息的數(shù)據(jù)量，K2表示反饋信息的數(shù)據(jù)量，則為[10]：

其中，Pc(l,n)表示節(jié)點(diǎn)CMi在信道c完成傳輸任務(wù)時(shí)的發(fā)生概率。

由于在CRSN中信道狀態(tài)隨PU的占用情況動態(tài)變化，同時(shí)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)是否具有傳輸需求也是動態(tài)變化的，因此待分配信道和待分配節(jié)點(diǎn)具有時(shí)變性。為了優(yōu)化簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間內(nèi)的EPB，CH將根據(jù)信道分配結(jié)果并結(jié)合節(jié)點(diǎn)具備不同傳輸條件的特點(diǎn)，對簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)分組大小進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，即數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程。其中，不具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)的EPB可用EPB(L)表示。

4 仿真結(jié)果

本文在異構(gòu)分級式CRSN中，從簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)每比特平均能耗、每幀中控制信息占比以及網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳輸量3個方面對所提出的信道分配策略進(jìn)行了性能仿真和分析，并與參考文獻(xiàn)[10]中的方法進(jìn)行了比較。仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.1 具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)的占比

圖4為在PU的不同干擾門限下，具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)的占比隨CH所需最小信干噪比變化的曲線。圖5為在CH所需的不同最小信干噪比下，具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)的占比隨PU干擾門限變化的曲線。能夠看出，簇內(nèi)存在具備持續(xù)傳輸條件的節(jié)點(diǎn)，且該類節(jié)點(diǎn)的占比隨CH所需最小信干噪比的提高以及PU干擾門限的降低，呈明顯的下降趨勢。

4.2 信道分配和數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)的優(yōu)化

圖4 持續(xù)傳輸節(jié)點(diǎn)占比與CH所需最小信干噪比的關(guān)系

圖5 持續(xù)傳輸節(jié)點(diǎn)占比與PU干擾門限的關(guān)系

圖6 持續(xù)傳輸節(jié)點(diǎn)占比與節(jié)點(diǎn)每比特平均能耗的關(guān)系

圖6分別比較了基于節(jié)點(diǎn)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則的隨機(jī)信道分配下的具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)（RC）、不具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)（RN）的EPB，以及本文提出的信道分配方法下的具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)（OC）、不具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)（ON）的EPB。明顯看出，兩種分配情況下具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)的EPB均高于不具備持續(xù)傳輸條件的節(jié)點(diǎn)，這是由于該類節(jié)點(diǎn)以犧牲能耗為代價(jià)，提高了數(shù)據(jù)分組的傳輸成功率。雖然在兩種信道分配下均采用了優(yōu)化的數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，但在本文提出的信道分配方法下，由于不具備持續(xù)傳輸條件的節(jié)點(diǎn)能夠分配到更好的信道，因此節(jié)點(diǎn)的EPB呈明顯的下降趨勢，而在隨機(jī)分配下則基本保持不變。

圖7比較了隨機(jī)信道分配（RCA）、本文提出的信道分配（OCA）方法以及參考文獻(xiàn)[10]中的分配和調(diào)節(jié)機(jī)制（RA）在信息傳輸過程中的EPB。可見，本文提出的OCA方法略優(yōu)于RA方法，同時(shí)兩者均優(yōu)于RCA方法，這是由于RCA方法增加了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能耗，但并沒有有效地提高數(shù)據(jù)分組的傳輸成功率，因此節(jié)點(diǎn)的EPB呈明顯的上升趨勢。

圖7 持續(xù)傳輸節(jié)點(diǎn)占比與節(jié)點(diǎn)每比特平均能耗的關(guān)系

由于每幀中控制信息的占比反映了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量的使用效率，因此圖8從每幀中控制信息占比的角度對不同方法進(jìn)行了比較。RA方法的控制信息占比保持不變，RCA方法的控制信息占比逐漸高于RA方法。而在OCA方法的控制信息在每幀中的占比隨簇內(nèi)具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)占比的提高而減小，降低了節(jié)點(diǎn)因?qū)⒛芰窟^多地用于控制信息傳輸而造成的能量浪費(fèi)，提高了能量的使用效率。

圖8 持續(xù)傳輸節(jié)點(diǎn)占比與每幀中控制信息占比的關(guān)系

4.3 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳輸量

本文認(rèn)為簇內(nèi)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量小于60%時(shí)，整個簇的信息采集功能失效，即網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間到達(dá)。圖9為網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳輸量，與RA方法相比，隨著簇內(nèi)具備持續(xù)傳輸條件節(jié)點(diǎn)占比的提高，OCA方法能夠完成更多的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，而RCA方法的數(shù)據(jù)傳輸信息量則明顯低于RA方法。這是由于本文基于節(jié)點(diǎn)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則優(yōu)化了信道分配和數(shù)據(jù)分組自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)能量能夠更多地用于數(shù)據(jù)信息的傳輸，同時(shí)在信道分配過程中平衡了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的剩余能量狀況，改善了網(wǎng)絡(luò)性能。

圖9 持續(xù)傳輸節(jié)點(diǎn)占比與數(shù)據(jù)信息傳輸量的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文提出的分配策略適用于工作在無源環(huán)境下的異構(gòu)分級式CRSN，即能耗問題是制約網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素之一。為了降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量損耗，基于節(jié)點(diǎn)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則提出了一種集中式信道分配策略，提高了數(shù)據(jù)分組的傳輸成功率，平衡了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的剩余能量狀況，同時(shí)優(yōu)化了數(shù)據(jù)分組的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，降低了信息傳輸過程中的EPB。仿真結(jié)果證明，本文提出的信道分配方法提高了節(jié)點(diǎn)的能量使用效率，改善了CRSN的性能。另外，本文在將傳感器節(jié)點(diǎn)依據(jù)持續(xù)傳輸準(zhǔn)則劃分的過程中，可能會由于劃分節(jié)點(diǎn)類型的判決條件單一，導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)能量過度損耗，因此在今后的研究中有必要對節(jié)點(diǎn)的劃分條件進(jìn)行更適宜的限制和優(yōu)化。

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