孟得月，裴二榮，黃佑林

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

異質(zhì)節(jié)點(diǎn)分離CRSN中MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與性能分析

孟得月，裴二榮，黃佑林

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（CRSN）是一種將認(rèn)知無線電（CR）技術(shù)引入傳統(tǒng)WSN中的新型網(wǎng)絡(luò)，具有一定的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。然而，CRSN中的認(rèn)知功能帶來的額外能耗和處理要求及其高成本實(shí)現(xiàn)，阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用?；诖耍岢鰧⒄J(rèn)知功能遷移到另外一類節(jié)點(diǎn)——認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，并使其擁有較強(qiáng)的處理能力和能量收集能力。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)與普通傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定比例進(jìn)行部署，組成另外一種新型網(wǎng)絡(luò)——異質(zhì)節(jié)點(diǎn)CRSN（HT-CRSN），這種新型網(wǎng)絡(luò)能夠提高網(wǎng)絡(luò)性能并降低部署成本。并提出了一種能夠適用于這種異質(zhì)節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時序及其一系列可行性的MAC協(xié)議（FBP等）。通過對所提MAC協(xié)議的能耗分析，說明可以通過調(diào)整兩類異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的部署比例和能量收集速率均衡兩類異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的能耗，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；異質(zhì)節(jié)點(diǎn)；工作時序；MAC協(xié)議

1 引言

21世紀(jì)以來，無線通信、微芯片制造等技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了WSN（wireless sensor network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的大規(guī)模部署。然而，工作在免授權(quán)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（industrial scientific medical，ISM）頻段的WSN與其他無線通信技術(shù)（如Wi-Fi、藍(lán)牙、WiMAX、ZigBee等）頻譜共享，導(dǎo)致各種無線設(shè)備間的干擾日益嚴(yán)重，顯著降低 WSN性能，影響了WSN的繼續(xù)發(fā)展。

近幾年，認(rèn)知無線電（cognitive radio，CR）技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，由于CR具有頻譜感知和動態(tài)改變其工作參數(shù)的能力[1]，一些研究人員提出將CR技術(shù)引入WSN，由這些具有CR功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)就稱為認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（cognitive radio sensor network，CRSN）[2,3]。

與傳統(tǒng)WSN相比，CRSN在動態(tài)頻譜接入、并發(fā)數(shù)據(jù)的伺機(jī)信道利用、適應(yīng)性的能耗降低、多個異構(gòu) WSN的重疊部署等方面擁有較大的優(yōu)勢，并且具有一定的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

然而，CRSN的實(shí)現(xiàn)面臨著以下幾個挑戰(zhàn)性的問題[3]：

? 傳感器節(jié)點(diǎn)固有的資源（能量和處理能力）約束；

? 認(rèn)知功能帶來的額外通信和處理要求；

? 低成本和功率高效的認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)；

? 密集部署的 WSN中無需授權(quán)和授權(quán)頻段上的多跳伺機(jī)通信等。

在這幾個挑戰(zhàn)性問題中，第4個問題是CRSN實(shí)現(xiàn)的具體技術(shù)問題，相對于其他問題而言不難實(shí)現(xiàn)。研究前3個挑戰(zhàn)性問題不難發(fā)現(xiàn)，這幾個挑戰(zhàn)性問題產(chǎn)生的根源可以歸結(jié)于以下兩個主要矛盾：

? 認(rèn)知功能帶來的額外能耗和處理要求與傳感器節(jié)點(diǎn)固有資源（能量與處理能力）約束的矛盾；

? 認(rèn)知功能導(dǎo)致的CRSN高成本實(shí)現(xiàn)與其低成本要求的矛盾。

具體地說，與傳統(tǒng)WSN相比，CRSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)額外增加了頻譜感知、頻譜切換等功能，極大地消耗了傳感器節(jié)點(diǎn)本已受限的能量和處理能力；另外，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力有限，常常需要多個傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作頻譜感知后再通過協(xié)調(diào)器融合判決，它們之間感知信息的交互也導(dǎo)致了大量的能耗。這些由認(rèn)知功能帶來的額外能耗和處理要求與傳感器節(jié)點(diǎn)固有的資源約束產(chǎn)生了巨大的矛盾，極大地增加了認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)難度。如果不加以解決，將極大地縮短CRSN的生命周期，阻礙CRSN的發(fā)展與應(yīng)用（與第一個矛盾對應(yīng)）。

CR接收機(jī)的生產(chǎn)成本取決于其頻譜感知所采用的技術(shù)，技術(shù)越復(fù)雜則越昂貴，精確度也越高。以最簡單的基于能量探測的頻譜感知技術(shù)為例（這種技術(shù)需要在短時間內(nèi)探測大量的樣本，然后計(jì)算它們的加權(quán)或等權(quán)平均值，再與預(yù)先設(shè)定的閾值比較），它的生產(chǎn)成本也遠(yuǎn)高于只能進(jìn)行簡單處理的廉價傳感器節(jié)點(diǎn)。WSN節(jié)點(diǎn)往往是大規(guī)模部署在某一監(jiān)測區(qū)域，并且在每個傳感器節(jié)點(diǎn)上都搭載一個CR接收機(jī)，因此增加了網(wǎng)絡(luò)的部署成本，進(jìn)而增加了低成本認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)難度。如果 CRSN的高成本部署問題不加以解決，那么定位于低成本、低功耗的 CRSN就失去了存在的價值和市場應(yīng)用前景（與第二個矛盾對應(yīng)）。

因此，在認(rèn)知功能給CRSN帶來眾多優(yōu)點(diǎn)的情況下，如何解決這兩個主要矛盾是擺在研究人員面前的一個極具挑戰(zhàn)性的問題。就目前發(fā)表的與CRSN相關(guān)文獻(xiàn)來看，這個問題并沒有得到解決，甚至沒有得到重視。

能量收集（energy-harvesting）技術(shù)是一種能將環(huán)境能量（太陽能、風(fēng)能等）轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。通過當(dāng)前期望的能量水平調(diào)整性能參數(shù)，這種技術(shù)有望替代傳統(tǒng)的供電傳感器節(jié)點(diǎn)，具有緩解CRSN額外能耗的潛能[4-6]。

基于現(xiàn)有 CRSN的缺點(diǎn)以及能力收集技術(shù)的最新研究，本文提出將 CRSN節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知功能獨(dú)立成另外的節(jié)點(diǎn)，即認(rèn)知節(jié)點(diǎn)（cognitive node，CN）。CN在網(wǎng)絡(luò)中的主要功能是頻譜感知和協(xié)調(diào)完成通信任務(wù)（中繼轉(zhuǎn)發(fā)等）。擁有最新的能量收集技術(shù)的 CN可以有效彌補(bǔ)其在工作中能耗較多的缺陷。雖然CN的生產(chǎn)成本較高，但是可以通過少量部署（如按照CN和傳感器節(jié)點(diǎn)1:N的比例部署）的原則降低整個網(wǎng)絡(luò)的硬件成本。因此一個包含 CN和傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node，SN）的 CRSN并不會比傳統(tǒng)的CRSN造價更高，而會更少。這種新型節(jié)點(diǎn)有望解決上述提出的兩個主要矛盾，促進(jìn) CRSN不斷發(fā)展。

這種擁有新型認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)是由兩種不同類型的節(jié)點(diǎn)組成，為區(qū)別傳統(tǒng) CRSN，本文稱其為異質(zhì)節(jié)點(diǎn)CRSN（heterogeneous node CRSN，HT-CRSN）。同時，傳統(tǒng)CRSN被稱為同質(zhì)節(jié)點(diǎn)CRSN（homogeneous node CRSN，HM-CRSN）。

在HT-CRSN中，CN負(fù)責(zé)可用頻譜的感知和數(shù)據(jù)的中繼傳輸，SN負(fù)責(zé)對周邊環(huán)境進(jìn)行探測和數(shù)據(jù)采集。每次 SN采集到的數(shù)據(jù)需要傳輸時，CN則將探測到的空閑頻譜通知SN，然后SN使用分配的信道和時隙進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，SN也需要有動態(tài)改變工作參數(shù)的能力。顯然在HT-CRSN中，兩種異質(zhì)節(jié)點(diǎn)只有緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)有序地工作才能完成每次的通信任務(wù)。因此有必要開發(fā)出一種適合于這種異質(zhì)節(jié)點(diǎn)共存的 CRSN的工作時序及其相應(yīng)的 MAC協(xié)議，使它們能夠正常工作并發(fā)揮出這種新型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。HT-CRSN與HM-CRSN、WSN 3種網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)功能的對比見表1。

表1 3種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的比較

目前大量的基于WSN的MAC協(xié)議已經(jīng)發(fā)表[7-13]，但是它們沒有考慮到CR技術(shù)帶來的改變，顯然不能直接應(yīng)用于CRSN；同時目前基于CRSN的MAC協(xié)議也已經(jīng)有較多文獻(xiàn)[14-22]發(fā)表，然而因?yàn)樗鼈兌际腔谡J(rèn)知功能和傳感器節(jié)點(diǎn)一體化，即基于同質(zhì)節(jié)點(diǎn)的MAC協(xié)議，沒有對相互獨(dú)立的CN和SN的協(xié)調(diào)工作進(jìn)行研究，也無法用于HT-CRSN中。參考文獻(xiàn)[23]提出了一種在異質(zhì)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（heterogeneous cognitive radio network）環(huán)境中的基于群論框架（group-theoretic framework）的交匯協(xié)議。然而，這篇文獻(xiàn)中所提到的異質(zhì)環(huán)境在于認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的屬性不同，如認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間的同步時間、所探測到的信道以及信道標(biāo)簽函數(shù)的不同，與本文中所提到的異質(zhì)節(jié)點(diǎn)環(huán)境完全不同。參考文獻(xiàn)[24]基于異質(zhì)信道環(huán)境，分簇過程中傳感器節(jié)點(diǎn)很難發(fā)現(xiàn)簇頭問題，通過引入短暫的支持節(jié)點(diǎn)（temporary support node），提出了一個新穎的能量有效的緊湊分簇方案。然而，在這篇參考文獻(xiàn)中所提到的這種支持節(jié)點(diǎn)只是短暫的輔助節(jié)點(diǎn)，與本文中所提的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)分離有極大的不同。參考文獻(xiàn)[25]是在異質(zhì)信道環(huán)境下的動態(tài)資源分配問題，首先在已知信道分配的假設(shè)下，使用拉格朗日對偶算法，解決最佳的功率問題，然后利用離散隨機(jī)優(yōu)化算法，解決聯(lián)合信道和功率的分配問題。然而，本文主要的研究問題是兩種節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)工作，因此與本文主要研究的內(nèi)容聯(lián)系不大。

本文在提出 HT-CRSN后，為這種異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種新的工作時序以及適應(yīng)這種新型網(wǎng)絡(luò)的一系列可行的 MAC協(xié)議。相對于傳統(tǒng)的 MAC協(xié)議，在本文所提的 FBP（fast broadcast protocol，快速廣播協(xié)議）、FRP（fast data relay protocol，快速數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)協(xié)議）中，這種新型網(wǎng)絡(luò)中的兩類異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的能耗均衡可以通過調(diào)整CN和SN的部署比例以及CN的能量收集速率而獲得，通過仿真分析可知，基于本文所提的MAC協(xié)議，可以有效地均衡能耗，提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。同時本文對 HT-CRSN的吞吐量、時延、網(wǎng)絡(luò)開銷也做了分析說明。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

假定M個CN和N個SN均勻部署在一個以sink節(jié)點(diǎn)為圓心、R為半徑的監(jiān)測區(qū)域，如圖 1所示。雖然實(shí)際中可能無法得到這樣一個完全均勻的分布場景，然而為了試驗(yàn)，近似均勻地部署在監(jiān)測區(qū)域并不難做到。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

CN和SN都只配備一個收發(fā)器，在同一時刻只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。SN雖然不具有頻譜感知功能，但是它應(yīng)該具備改變工作參數(shù)的能力，這樣傳感器節(jié)點(diǎn)才能根據(jù) CN探測到的信道發(fā)送數(shù)據(jù)。CN擁有比SN更強(qiáng)的處理能力以及更多的初始能量，并且還搭載有能量收集設(shè)備，這樣CN可以不斷地收集能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

假定部署的CRSN可以機(jī)會利用多個授權(quán)信道，并且可以使用一條公共控制信道傳遞控制信息。其中CN和SN的部署比例取決于它們的初始能量、CN的能量收集速率及其能耗速度。基于一定的能量收集速率，通過調(diào)整CN和SN的部署比例可以達(dá)到CN和SN之間的能耗平衡。

無線電能量耗散模型采用參考文獻(xiàn)[13]中所提到的模型，發(fā)送k bit消息的能耗為：

接收k bit消息的能耗為：

其中，elecE 是發(fā)射或接收每比特信息所消耗的能量，fsE 與mpE 為節(jié)點(diǎn)發(fā)射放大電路在單位面積內(nèi)傳播每比特信號所消耗的能量，0d為一個門限距離，當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的距離<0d時，使用自由空間模型；當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的距離>0d時，使用多路徑衰減模型。

3 基于HT-CRSN的MAC協(xié)議

HT-CRSN與傳統(tǒng)的CRSN不同，它的兩類異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的能量和性能完全不一樣，承擔(dān)完全不同的工作任務(wù)，因而需要兩類節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)工作才能完成通信任務(wù)。因此，為了使兩類完全不同的、分離的異質(zhì)節(jié)點(diǎn)緊密結(jié)合、相互協(xié)調(diào)地工作，需要設(shè)計(jì)一個適合異質(zhì)節(jié)點(diǎn)分離的傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時序以及一系列的MAC協(xié)議控制其工作。

3.1 網(wǎng)絡(luò)初始化及分組階段

在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，匯聚（sink）節(jié)點(diǎn)首先向網(wǎng)絡(luò)中的CN廣播自己的位置坐標(biāo)信息。所有CN和SN根據(jù)相應(yīng)的定位算法計(jì)算自己的位置坐標(biāo)?；诂F(xiàn)有的鄰居發(fā)現(xiàn)算法[29]，每個CN和SN都能夠找到它們自己鄰近的SN和CN以及它們的位置信息。因此網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)鄰近節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行分組。

（1）基于最短距離的分組

SN向距離自己最近的CN申請加入組。這種分組方式的最大優(yōu)點(diǎn)是簡單，也不輪動，因而基本沒有開銷。然而，這種分組導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能耗無法均衡，靠近sink節(jié)點(diǎn)的CN以及距離CN較遠(yuǎn)的SN節(jié)點(diǎn)首先死亡（靠近sink節(jié)點(diǎn)的CN由于要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，能耗大，因此死亡較早）。死亡的CN所屬的SN可以就近加入附近的CN組繼續(xù)工作，距離CN較遠(yuǎn)的SN死亡并不會影響組內(nèi)工作。因此這并不是一種最優(yōu)的分組方案。但是本文重點(diǎn)在于研究異質(zhì)節(jié)點(diǎn)下，網(wǎng)絡(luò)如何高效有序地工作，因此選擇這種簡單易行的方案。

（2）基于非均勻半徑的分組（適合節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署的場景）

如果節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，那么就有可能實(shí)現(xiàn)非均勻半徑的分組，用來平衡各CN間的能耗。CN距離sink節(jié)點(diǎn)越近，中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)次數(shù)越多，能耗也就越大。因此，離sink節(jié)點(diǎn)越近，其半徑越小；離sink節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，其半徑越大。這種分組方法能夠平衡CN之間的能耗，然而仍然沒有辦法做到SN之間的能耗平衡。并且只要 CN不提前死亡，那么監(jiān)測面積就不會受到較大影響。相對于第一種分組方案來說，基于非均勻半徑分組的方案比較復(fù)雜，所以并不是本文的最佳選擇。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸階段

分組完成后，各節(jié)點(diǎn)依次按序進(jìn)行工作，如圖2所示。其中圖2上端為在不同階段使用到的不同的MAC協(xié)議。

圖2 HT-CRSN工作時序

（1）CN的頻譜感知和SN的數(shù)據(jù)采集

在分組中，CN作為組頭承擔(dān)頻譜感知、頻譜判決、分配信道、融合數(shù)據(jù)、中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)等功能，SN負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并發(fā)往組頭。而這些工作必須由兩類異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)配合才能有序完成。CN頻譜感知后進(jìn)入頻譜判決及分配階段，而 SN數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量，同時等待接收分配信道的廣播通知，如圖2所示。

（2）空閑頻譜的廣播

在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，基于鄰居發(fā)現(xiàn)算法，各CN可以獲知自己的鄰近節(jié)點(diǎn)。在空閑頻譜廣播階段，各 CN需要將自己探測出的空閑頻譜利用廣播協(xié)議通知給鄰居節(jié)點(diǎn)。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)中提出的廣播協(xié)議都是基于能量有效的 MAC協(xié)議，如B-MAC[25]、S-MAC[26]、T-MAC[27]、X-MAC[28]等。而在CRSN環(huán)境中，特別是在HT-CRSN中，探測出來的頻譜具有時效性，時間越長，與主用戶沖突的概率也越大，因此應(yīng)該盡可能快速地將空閑頻譜信息廣播給鄰近節(jié)點(diǎn)。另外，現(xiàn)有的IEEE 802.11協(xié)議的CSMA/CA主要針對通用的點(diǎn)對點(diǎn)通信協(xié)議，顯然也無法適應(yīng)多個節(jié)點(diǎn)同時需要發(fā)送廣播信息的場景，因此需要對HT-CRSN中的廣播MAC協(xié)議進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

基于公共控制信道的FBP流程如圖3所示，具體過程如下。

圖3 FBP流程

步驟1 所有CN從（0～N）×T（T為大于SIFS的一段時隙）中隨機(jī)選擇一個值，作為退避時間。

步驟2 退避時間歸零后即向其鄰近節(jié)點(diǎn)（初始化階段已經(jīng)獲知）廣播RTS分組，并分配鄰近節(jié)點(diǎn)確認(rèn)時隙。

步驟3 鄰近節(jié)點(diǎn)收到RTS分組后，凍結(jié)其計(jì)時器，并按照分配的時隙依次向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS分組。

步驟 4 發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到鄰近節(jié)點(diǎn)所有的確認(rèn)CTS分組后，即開始廣播。

步驟5 如果沒有收齊，則推遲（0～n）×T/n（n取決于發(fā)送節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生碰撞的最大個數(shù)，一般取值為鄰近節(jié)點(diǎn)個數(shù)的最大值）后重發(fā)針對目的節(jié)點(diǎn)（即發(fā)生沖突沒有發(fā)送CTS的節(jié)點(diǎn)）的 RTS；如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)的 CTS，意味著二次競爭失敗，需要等待，直到接收到目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送給其他發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ACK后再次發(fā)送針對該目的節(jié)點(diǎn)（沖突節(jié)點(diǎn)）的RTS。

步驟 6 接收到廣播信息的節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送ACK，并繼續(xù)啟動計(jì)時器；發(fā)送節(jié)點(diǎn)收齊ACK后，保持監(jiān)聽狀態(tài)，直到鄰近節(jié)點(diǎn)的信息全收齊。

步驟7 如果沒有收齊ACK，意味著有的接收節(jié)點(diǎn)沒有收到廣播信息，則推遲（0～N/(2×i)）×T（i為重發(fā)信息的次數(shù)）時間，等待再次競爭信道給目的節(jié)點(diǎn)（沒有收到信息的節(jié)點(diǎn)）重發(fā)信息，直到收到所有的ACK（即所有的接收節(jié)點(diǎn)均接收到廣播信息）。

由于FBP具有時效性，因此在CN探測到空閑頻譜后，可以快速地通知給鄰近節(jié)點(diǎn)，這樣可以減少與主用戶沖突的概率，提高廣播通知的準(zhǔn)確性。

（3）頻譜判決及分配

為了度量每個探測出來的空閑信道的可信度，將鄰近組（包括本組）中 CN探測到信道 i的個數(shù)定義為空閑信道i的可信度，即r為鄰近組CN序號，σ ∈ {0,1}。頻譜感知階段完成后，CN向鄰近CN廣播探測結(jié)果，各CN收到鄰近CN發(fā)來的探測結(jié)果后計(jì)算各信道的可信度。

頻譜分配原則：每個CN獨(dú)立計(jì)算各信道的可信度，選擇可信度最高的信道作為本組的數(shù)據(jù)信道。這樣做的目的是盡可能降低誤探測帶來的嚴(yán)重后果。因此，有些組可能會共用某個數(shù)據(jù)信道。

另外，為了解決數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)階段動態(tài)的多信道環(huán)境下的信道交匯問題[19]，這里需要將 CN分配的信道消息再次廣播給鄰近節(jié)點(diǎn)（避免產(chǎn)生信道干擾）。

（4）CN向組內(nèi)SN廣播信道分配通知及發(fā)送/接收數(shù)據(jù)階段

在這個階段，CN首先調(diào)整發(fā)射功率，使其發(fā)射范圍恰好覆蓋到本組范圍。為了避免邊緣 SN受到共信道干擾導(dǎo)致一些 SN無法收到分配信息以及相鄰組可能使用到相同數(shù)據(jù)信道時一些邊緣SN同時向CN發(fā)送數(shù)據(jù)，可能的信道沖突如圖4所示（圖 4(a)為公共控制信道沖突，圖 4(b)為相鄰組分配到相同數(shù)據(jù)信道引起的共數(shù)據(jù)信道沖突），本部分組內(nèi)廣播信息時也采用前文所屬的FBP，只是這里只有CN向組內(nèi)SN發(fā)送通知，SN發(fā)送反饋。

圖4 可能的信道沖突

使用FBP的優(yōu)點(diǎn)是可以錯開鄰近CN或者鄰近組可能的共信道沖突避免重發(fā)。具體 MAC協(xié)議如下。

? CN將發(fā)射功率調(diào)整到其發(fā)射范圍恰好覆蓋到本組范圍。

? 各CN運(yùn)行FBP，CN向本組SN發(fā)送RTS。

? 接收到所有SN的CTS的CN發(fā)送本組分配的信道及時隙。

? 成功接收到各 CN發(fā)送的信道和時隙后，SN則立即廣播ACK。

? CN和SN收發(fā)機(jī)參數(shù)都切換到本組分配的數(shù)據(jù)信道。

? SN依次向CN發(fā)送數(shù)據(jù)。

? 接收到ACK的SN立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

? CN則進(jìn)入數(shù)據(jù)融合階段。

（5）數(shù)據(jù)融合及中轉(zhuǎn)階段

CN對收到的組內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后中轉(zhuǎn)發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)。由于不能由CN直接發(fā)送數(shù)據(jù)到sink節(jié)點(diǎn)，因此如何更好地選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，是數(shù)據(jù)傳輸很重要的因素。

在傳統(tǒng)的 MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，下一跳節(jié)點(diǎn)是確定的，即在 MAC層發(fā)送節(jié)點(diǎn)與下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互后，再在路由層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文對傳統(tǒng)的 MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，下一跳節(jié)點(diǎn)不是固定的，即在 MAC層進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇后，再由路由層進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的傳送。

在進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇時，每一個發(fā)送節(jié)點(diǎn)都有一個競爭節(jié)點(diǎn)集（備選為下一跳節(jié)點(diǎn)的一個集合），競爭節(jié)點(diǎn)集由發(fā)送節(jié)點(diǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)構(gòu)成（網(wǎng)絡(luò)初始化階段已經(jīng)獲得），再將競爭節(jié)點(diǎn)集的每一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)先級排序，其中競爭節(jié)點(diǎn)集的排序主要依賴于3個因素：網(wǎng)絡(luò)傳遞率、最佳傳輸次數(shù)和節(jié)點(diǎn)的剩余功率。

假設(shè)A為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，B為接收節(jié)點(diǎn)，設(shè)A發(fā)送數(shù)據(jù)分組的個數(shù)為y，B接收數(shù)據(jù)分組的個數(shù)為x，網(wǎng)絡(luò)傳遞率為 m，最佳傳輸次數(shù)為 n，m、n的計(jì)算如下：

在進(jìn)行優(yōu)先級排序時，主要依賴于一個排序指標(biāo)V，其中，V的計(jì)算如下：

其中，θ為0～1之間的一個因子，iP為節(jié)點(diǎn)的剩余功率。

由此可見，V的值越大，節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級順序越高；V的值越小，節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級順序越低，將競爭節(jié)點(diǎn)集的優(yōu)先級順序排列以后，按照優(yōu)先級順序的高低即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

CN發(fā)送節(jié)點(diǎn)與競爭節(jié)點(diǎn)的信息交互過程如圖5所示。CN間的FRP具體如下。

? 在傳輸數(shù)據(jù)前，發(fā)送節(jié)點(diǎn)以及競爭節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將接口切換到控制信道上。

? 發(fā)送節(jié)點(diǎn)向競爭節(jié)點(diǎn)廣播RTS，其中，RTS包括競爭節(jié)點(diǎn)集的優(yōu)先級順序以及可用信道列表。

? 競爭節(jié)點(diǎn)接收到RTS后，獲知自己的優(yōu)先級位置，并且結(jié)合自己的可用信道，選擇一個數(shù)據(jù)傳輸信道。

? 將選擇的信道附加到 CTS中回復(fù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)（在回復(fù)CTS時高優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)優(yōu)先回復(fù)，隔一段時間后，低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行回復(fù)）。

? 發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到CTS后，則等待進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

? 發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到CTS后，則獲得了下一跳競爭節(jié)點(diǎn)以及用于傳輸?shù)男诺溃ǖ强赡苓€有低優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)等待回復(fù)CTS分組，因?yàn)榈却龝r間長所以會有時延）。

? 發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播CTR分組（目的是告訴低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到CTS，因此低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)收到CTR后丟棄CTS）。

? 發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送完CTR后，則與下一跳節(jié)點(diǎn)在已獲得的數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到ACK后則數(shù)據(jù)傳輸成功。

圖5 CN節(jié)點(diǎn)與競爭節(jié)點(diǎn)的信息交互過程

4 數(shù)值仿真及可行性分析

對所提協(xié)議進(jìn)行可行性分析，包括CN與SN的能耗（即網(wǎng)絡(luò)生命周期）、吞吐量、協(xié)議開銷以及時延。值得注意的是，本文所提的協(xié)議是HT-CRSN工作的一系列可行性協(xié)議，但是它在理論和工程方面還存在一些待解決的問題，因此各部分協(xié)議的優(yōu)化工作將是今后的一個重點(diǎn)研究內(nèi)容。

進(jìn)行可行性分析的目的是證明本文所提出的HT-CRSN能夠在本文所提的工作時序及其一系列 MAC協(xié)議的支持下正常工作，進(jìn)而證明這種新型網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際中的部署是可行的。

4.1 能耗分析

HT-CRSN的工作時序如圖2所示，在一幀的時間內(nèi)，CN工作包括頻譜感知、空閑頻譜的廣播、組內(nèi)分配信道廣播、接收數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)及中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。而 SN的工作過程較簡單，包括數(shù)據(jù)采集及發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)能耗大部分在通信模塊，因而數(shù)據(jù)采集能耗忽略不計(jì)。

本部分計(jì)算分析CN和SN能耗的均衡性的目的是證明 HT-CRSN在所提協(xié)議支持下正常工作的可行性，因此在計(jì)算 CN能耗中，采用一種理想情況來計(jì)算能耗，如100%的探測準(zhǔn)確率、FBP中節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽狀態(tài)時間忽略不計(jì)等。

假定CN具有能量收集能力，雖然能量收集往往是不確定性的，并且受到環(huán)境影響。然而，本文主要關(guān)注能量在CN上的增加，故忽略其具體細(xì)節(jié)。以一輪（或一幀，下文不加區(qū)分使用）的時間周期來看，CN能量的增加可用式（5）近似：

其中，α為每輪時間內(nèi)平均所采集到的能量， iniE 為每輪時間內(nèi)平均所采集到的能量，n為輪次/幀。

假定CN與SN都均勻分布在監(jiān)測區(qū)域（理想分布），因此可以認(rèn)為每個CN都管轄一個正六角形的區(qū)域。為了便于計(jì)算，取其內(nèi)切圓進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示。

圖6 場景理想分布

在圖6所示的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，每個CN監(jiān)測區(qū)域的直徑為：

其中，R為監(jiān)測區(qū)域半徑，CNN 為部署的CN的數(shù)量。

由圖6可以看出，在理想分布情況下，執(zhí)行FBP時，每個CN平均都需要和相鄰6個CN交互信息，并且在這個階段每個節(jié)點(diǎn)大約需要發(fā)送14（實(shí)際為13+x）個分組，接收24（實(shí)際為18+y）個分組（如圖3所示）。因此，執(zhí)行FBP時每個CN平均所消耗的能量為（不考慮重發(fā)情況）：

其中，Lsignal為信令分組長度。

基于FBP的組內(nèi)廣播CN平均消耗的能量為：

組內(nèi)CN接收數(shù)據(jù)平均消耗的能量為：

融合數(shù)據(jù)消耗的能量為：

其中，Ldata為融合數(shù)據(jù)的總比特?cái)?shù)，Efuse為融合每比特?cái)?shù)據(jù)消耗的能量。

監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)分組最大中轉(zhuǎn)次數(shù)為：

平均中轉(zhuǎn)次數(shù)為：

每個數(shù)據(jù)分組中轉(zhuǎn)平均消耗能量為：

每組或者每個CN一輪中平均消耗能量為：

其中，每個CN一輪中執(zhí)行兩次FBP。

SN在一輪中平均消耗能量為：

數(shù)值仿真參數(shù)值見表2。

表2 數(shù)值仿真參數(shù)值

CN個數(shù)與節(jié)點(diǎn)能耗均衡性對比如圖7所示。由圖7可知，CN和SN的生命周期差（即節(jié)點(diǎn)的能耗均衡性）隨著CN個數(shù)的增加先下降到0然后再增加。也就是說，通過調(diào)整CN和SN個數(shù)比例，CN和SN的能耗總能獲得均衡（即兩類異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的生命周期相等）。同時也可以看出，隨著CN能量收集速率的增加，能耗均衡點(diǎn)所需要的CN個數(shù)在減小，這意味著部署成本下降，額外開銷減小。

圖7 CN個數(shù)與節(jié)點(diǎn)能耗均衡性對比

單位 CN網(wǎng)絡(luò)生命周期與能量收集速率對比如圖8所示。由圖8可知，在初始能量一定時，隨著能量收集速率的遞增，單位CN的生命周期也隨著增加，這是因?yàn)殡S著能量收集速率的增加，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量也會隨之增加，這樣就可以平衡認(rèn)知功能所帶來的額外能耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖8 單位CN網(wǎng)絡(luò)生命周期與能量收集速率對比

α= 0時CN個數(shù)與節(jié)點(diǎn)能耗均衡性對比如圖9所示。當(dāng) α= 0時，即CN沒有能量收集能力的節(jié)點(diǎn)時，通過調(diào)整 CN的初始能量和數(shù)量也能夠獲得能耗均衡。其中，當(dāng) ECN= 25.5 J時，因?yàn)槌跏寄芰枯^低，CN的生命周期一直小于SN的生命周期，也就是說，在這種情況下，CN和SN能耗不均衡，CN的網(wǎng)絡(luò)生命周期取決于CN的初始能量。不同CN初始能量的網(wǎng)絡(luò)生命周期（ α= 0）如圖10所示，隨著CN初始能量的增加，網(wǎng)絡(luò)生命周期遞增。然而，單位節(jié)點(diǎn)所能提供的網(wǎng)絡(luò)生命周期卻急劇下降，因此可以認(rèn)為，依靠增加CN的初始能量來提高網(wǎng)絡(luò)生命周期效率很低，這意味著成本的上升，如圖11所示。

圖9 0α= 時CN個數(shù)與節(jié)點(diǎn)能耗均衡性對比

圖10 不同CN初始能量的網(wǎng)絡(luò)生命周期（ 0α= ）

圖11 不同CN初始能量的單位CN網(wǎng)絡(luò)生命周期（ 0α= ）

4.2 網(wǎng)絡(luò)開銷

與傳統(tǒng)WSN和CRSN相比，HT-CRSN中相鄰CN間每輪/幀都需要交互信息才能正常工作。因此，相對于傳統(tǒng)WSN和CRSN，HT-CRSN開銷較大，并且隨著CN數(shù)量的增加而增加。然而，這些開銷大部分是在執(zhí)行FBP時所產(chǎn)生的，也就是說，這些開銷大部分是在公共控制信道上所產(chǎn)生，對后面利用探測出來的數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并沒有影響。

4.3 平均時延及吞吐量

網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的時延主要由式（16）確定：

其中，senset 為CN感知時間，F(xiàn)BPt 為執(zhí)行FBP所需時間，recet 為數(shù)據(jù)匯聚時間，F(xiàn)RPt 為執(zhí)行FRP所需平均時間。

tsense對于不同的 CN來說是固定不變的（具體時間取決于網(wǎng)絡(luò)所能容忍的的探測正確率），而tFBP隨著CN數(shù)量的增加基本保持不變，tFRP因?yàn)橹修D(zhuǎn)次數(shù)增多而隨著CN個數(shù)的增加而大幅增加，trece因?yàn)殡S著 CN數(shù)量增加每組數(shù)量減小而略微減小，總體上，平均時延隨著 CN數(shù)量增加而增加。因此，在有時延要求的場景下，有必要控制CN的數(shù)量。

HT-CRSN的吞吐量取決于CN的數(shù)量和可用帶寬。因?yàn)?CN能夠探測到多個信道用來傳輸數(shù)據(jù)，并且本文中采用確定性的分配方式分配信道，不存在競爭信道的問題，假定信道帶寬夠用，那么吞吐量就完全取決于網(wǎng)絡(luò)中所能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組個數(shù)即CN個數(shù)，CN越多，在一幀/輪時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也越多。然而，CN越多，時延越大，部署成本也越高。一般而言，在可以利用的信道帶寬夠用的情況下，能耗均衡和部署成本是HT-CRSN部署的主要考慮對象。因此，在CN能量收集能力一定的情況下，部署網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)該盡可能減小 CN部署數(shù)量，減小部署成本，而同時又需要保證CN和SN間的能耗平衡，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

5 結(jié)束語

基于現(xiàn)有 CRSN中認(rèn)知功能帶來的額外能耗和處理要求與傳感器節(jié)點(diǎn)固有的資源約束的矛盾以及認(rèn)知功能導(dǎo)致的 CRSN高成本實(shí)現(xiàn)與其低成本實(shí)現(xiàn)要求的矛盾，提出了一種基于認(rèn)知功能和傳感器節(jié)點(diǎn)相分離的 CRSN，即HT-CRSN，并為這種新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個工作時序及其一系列可行性的MAC協(xié)議。基于所提網(wǎng)絡(luò)以及協(xié)議，通過仿真發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整CN的能量收集速率或數(shù)量能夠獲得確定性的能耗平衡，從而獲得最大的能量利用率和網(wǎng)絡(luò)生命周期。HT-CRSN的部署比例應(yīng)該重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)生命周期和部署成本兩項(xiàng)指標(biāo)，一方面應(yīng)該盡可能地減小部署成本，即減小CN的部署數(shù)量，另一方面又必須保證CN和SN間的能耗平衡，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

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Design of MAC protocol and performance analysis for heterogeneous nodes separating CRSN

MENG Deyue, PEI Errong, HUANG Youlin
Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

Cognitive wireless sensor network (CRSN) is a new type of network that introduces cognitive radio (CR) technology into traditional WSN, and has certain application value and developmental prospect. However, the additional energy consumption, processing requirements and its high cost implementation have hindered its further development and application. Based on this, transfering cognitive functions to another nodes——cognitive nodes which have ability of processing and collecting energy was proposed. The cognitive nodes were deployed with the ordinary sensor nodes according to the certain proportion. They form a new type of network——heterogeneous node CRSN (HT-CRSN). The new network can improve network performance and reduce the deployment cost. Then a work schedule which can be applied to this kind of heterogeneous node sensor networks and a series of feasible MAC protocols was proposed. The analysis of the proposed MAC protocol proves that energy consumption can be balanced by adjusting the deployed ratio of the two kinds of heterogeneous nodes and the network life cycle is improved.

wireless sensor network, cognitive wireless sensor network, heterogeneous node, work schedule, MAC protocol

s: The National Natural Science Foundation of China (No.61379159), Chongqing Basic and Cutting-Edge Project (No.CSTC2013jcyjA40020)

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017222

孟得月（1990?），女，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。

裴二榮（1976?），男，博士，重慶郵電大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)及5G通信。

黃佑林（1993?），男，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。

2017?01?22；

2017?07?07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61379159）；重慶市基礎(chǔ)和前沿項(xiàng)目（No.CSTC2013jcyjA40020）