基于认知无线电的无线传感网系统设计与实现*

杨明

（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022）

基于认知无线电的无线传感网系统设计与实现*

杨明

（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022）

为了提高认知无线电传感器网络（CRSN）中的能量使用效率和性能指标，提出了一种新的基于认知无线电的无线传感网系统，该系统中的传感器节点均使用改进的机会频谱接入路由协议，提出的协议能够更好地增加网络的可扩展性和提高网络性能。构建了精确的信道模型以便评估复杂的室内环境不同区域的信号强度，通过实验模拟对提出系统的性能进行评估。模拟结果显示，相比其他两种路由协议，提出的协议在吞吐量、包延迟及总能量消耗方面表现更佳。

节能，无线传感器网络，机会路由，认知无线电

0 引言

随着网络可扩展性要求的增加，威胁无线传感器网络（WSN）成功部署和发展的挑战是能量效率，该挑战迫在眉睫。当网络的工作量在某一时间范围内非常大时，许多传感器节点可以随时与网络连接或断开。例如，当监测应用系统和事件跟踪时，一旦发生事件，工作量就会急剧增加。此外，当蓝牙、WiFi等应用共享了全球通用的2.4 GHz频带时，许多WSN会在无授权的频段中运行［1］。因此，研究WSN的能量消耗及频谱接入问题变得十分重要。

认知网络的机会路由能够减轻该问题的严重性。在机会路由中，遵循下一个中继节点的选择标准之后，去往目的地的路径会发生动态改变。一个值得推荐的解决方案是，运用认知无线电（CR）技术结合无线传感器节点，在WSN中运用动态频谱接入（DSA）模型以便为自身提供接近不拥挤频谱的机会。通常，可以将认知无线电传感器网络（CRSN）定义为认知无线电传感器节点的分布式网络，可以感知事件信号并通过多跳的方式动态地协作传递可用频段的读数，以最终满足应用系统的专用要求［2］。将两种方案结合起来使用会产生不错的效果。

普遍认为机会路由能够提高无线自组网及传感器网络性能，因此，机会路由受到了越来越多的关注［3］。根据预期传输计数度量（ETX），极端机会路由（ExOR）［4］通过允许路由器使用多路径路由去往目的地而提出了该想法，该计数度量是基于接收器与目的地之间的距离。距离越短，越有优先权。然而，简易的传输机制可能会导致出现重复包。文献［5］中介绍了地理随机中继（GeRaF）技术。在GeRaF中，每个数据包都会传递发送器及目的地的位置，以便让发送器根据位置信息优先选取候选节点。尽管这些技术容易实现，仍需要知道网络中所有节点的位置信息。文献［6］中提出了多跳无线自组网的分布式自适应机会路由方案。这些方法利用了无线网络的机会路由，但没有与认知网络的概念结合。

在认知网络中，文献［7］提出了频谱感知路由。频谱感知网格路由（SAMER）通过拥有较高频谱可用性和质量的路径并按指定路线发送通信量。SAMER尝试平衡路由的长期稳定性与短期的机会性能。文献［8］介绍了频谱感知机会路由算法。机会路由算法运用了机会链路传输（OLT）度量，这是传输延迟、数据包的排队延迟与链路接入延迟的结合。通过提出信道接入的可能性来描述机会CR链路的特征，多信道频谱感知机会路由［9］。

本文尝试填补WSN中机会路由与认知网络之间的差距。因此，提出了一种新的基于认知无线电的无线传感网系统，该系统中的传感器节点均使用改进的机会频谱接入路由协议，通过将机会路由与动态频谱接入结合。建造并校准了信道模型。在提供性能评估及模拟分析的同时提供了模拟结果。

1 系统网络模型

1.1网络地址机制

网络上每个传感器节点的网络地址都会受到发送标准的限制，并与距目的地节点的距离相关。考虑到节点地址i及目的地节点地址dst，应在本地得到发送标准ci，dst。通常，在WSN中，该发送标准与两节点之间的距离相关联［3］。

在提出的协议中，目的地节点会向网络中的每个传感器节点传播身份通知包。该数据包的发送标准字段等于0。接收该数据包时，每个传感器节点i会根据与目的地ci，dst之间的距离更新发送标准字段。当所有节点均已传播了所有数据包时，网络中的每个节点都会知道各自的发送标准。当网络的可扩展性发生变化时，节点可以在本地更新各自的发送标准。当新的节点与网络连接时，可以通过获得邻居节点的逻辑地址来估计自己的逻辑地址。当节点断开网络或出现不同的源节点时，所有节点的网络地址均保持一致。只有目的地节点发生改变时，该网络地址机制才会再次出现。

1.2链路模型

影响2个节点之间数据包成功传输的主要因素有3个：信道的可用性、信道接入的优先权及包接收无线电。

1）信道的可用性：在2个邻居节点之间的链路中，有许多可用的信道Nch。当节点中有数据包传输时，就会在所有Nch信道之间寻找可用信道。如果所有信道都已占满，节点只能等待下一个可用信道。应仔细选择信道Nch的数量。尽管信道会引导节点感知所有信道，大多数信道可能没有用。另一方面，Nch上较小的值无法充分利用认知无线电的概念。

2）信道接入的优先权：当信道Chi处于空闲状态时，需要传输数据包的节点会竞争该信道。当节点通过信道传输时，该传输范围内的所有节点都不能使用该信道。因此，优先权标准是至关重要的。本文把距目的地的距离作为优先权标准。根据网络地址的远近，距目的地越近的节点更有优先进入下一个可用信道的权利。

3）包接收无线电：当节点通过信道Chi向邻居节点发送数据包时，该信道就会产生包接收无线电（PRR）。为了模拟带有缺少信道编码的二进制相移键控（BPSK）消耗型WSN所用的现实信道模型，使用了文献［11］中的对数正态阴影路径消耗模型：

其中，Lf是帧的长度，di，j是传输器节点i与接收器节点j之间的距离，γ（d）是信号噪声比（SNR），ρ是编码无线电。接收信号强度指示器（RSSI）测量可用于确定SNR。这些活动的主要目标在于更加真实地计算出PRR，如式（1）所示。

2 提出的带有机会频谱接入路由协议的认知网络

2.1邻居发现过程

网络上的每个传感器节点i都知道各自的相对位置，因此，能将周围的节点分为邻居节点集Ai和候选节点集Ki。

节点i上的邻居节点集Ai是节点i传输范围R内所有节点的集合。

其中，S是网络所有节点的集合，di，j是节点i与节点j之间的距离，R是节点的传输范围。

节点i的候选节点集Ki是Ai内节点的集合，比传输节点i距目的地节点的距离更近。候选节点集是邻居节点集的子集，即Ki≤Ai，定义如下：

该过程中，每个节点同样也会根据各自周围邻居节点Ai的数量创建度量。当节点接收了来自不同邻居节点的同一个数据包时，就可以计算邻居节点的数量。当网络中所有的传感器节点均已传输了数据包时，邻居发现过程结束。整个过程结束后，网路中的每个传感器节点均会有必要信息开始数据传输。

2.2数据包传输过程

邻居发现过程之后，就会开始从节点到目的地的数据包传输过程。有4种数据包类型：数据、确认字符（ACK）、请求发送（RTS）及清除发送（CTS）。每次数据包传输都会受到PRR的限制。

当节点i向目的地节点dst传输数据包时，候选集Ki内的传输器节点i与节点之间就会出现RTS/CTS握手。传输器寻找可用的信道Chi向可用的信道填满RTS数据包，并等待时间TRTS或直到第一个回复。由于传输器会向Ai集的每个邻居节点填满RTS数据包，传输器可能会从Ai而不是Ki的节点得到回复。这种情况下，传输器会忽略回复，并只接收从候选集Ki内的节点处得到的回复。传输器会在同一个信道Chi等待回复。依据网络条件及传输器与每个邻居节点之间的距离，邻居集的一些节点会接收RTS数据包。节点i重新传输数据之前，只能等待时间：

其中，RTSsize/CTSsize是RTS/CTS数据包的尺寸，Ttr是传输率，Tpd是传播延迟，需要到达处于传输器传输范围R内限度的节点，SIFS是短帧间间隔，即RTS与CTS传输之间的短时间间隔。

时间TRTS之后，传输器会假设RTS数据包丢失，需重新传输。在OSCN协议中，随着邻居节点Ai的数量增加，TRTS也会增加，所以传输器需要等待更长时间得到回复。这样，所有邻居节点会有足够的时间在传输器假设RTS数据包丢失前回复RTS。因此，避免了重新传输，保存了能量。

一旦接收了RTS数据包，如果可以立即进行数据包传输，且没有其他数据包等待传输，邻居节点k就会向节点i回复CTS数据包。传输CTS数据包之前，邻居节点k会等待时间：

其中，di，dst是传输器节点i与目的地节点dst之间的距离，dk，dst是邻居节点k与目的地节点dst之间的距离，C1是常量。为了让节点在传输器传播同一个RTS数据包之前就以CTS数据包作为回复，从式（4）可知，C1应该比SIFS小，即C1＜＜SIFS。此外，随着邻居节点数量的增加，Tbackoff会随之减少。会有更多可用的邻居节点，因此，各节点的后退时间应该更短，所以，能够在TRTS结束时准时回复传输器节点。

从式（4）和式（5）可以推断出，在距传输器的特定距离中，当网络的可扩展性发生改变，邻近节点的最佳数量可以将花费在TRTS和Tbackoff上的总时间降到最短。

该时间之后，为了在与RTS同一个信道上以CTS数据包作为回复，邻居节点k会检查信道Chi是否可用。如果信道不可用，邻居节点会等待。由于CTS数据包传输也会受到PRR的限制，一些数据包可能会丢失。一旦成功接收了CTS数据包，传输器会向首先以CTS数据包作为回复的节点转发DATA数据包，并会忽略同一个DATA数据包之后产生的CTS数据包。然而，可以使用同一个DATA数据包中所有的CTS数据包来更新以后传输的Ai度量。当RTS/CTS握手和传输器会为DATA数据包等待ACK时，DATA数据包传输会在同一个信道再次出现。

当节点传输数据包时，节点会在缓冲区中储存副本，并会等待ACK。节点等待ACK花费的时间表示如下：

其中，ACKsize/DATAsize是DATA/ACK数据包的尺寸。如果TACK之后没有ACK，在式（6）中，节点会再次传输DATA数据包。每个中间节点会跟随同一个数据包传输过程。之后产生的数据包传输可能使用不同的路径和不同的信道。该过程会一直持续，直到所有数据包均到达目的地节点。OSCN的选择标准是指节点与目的地之间的距离，会随着网络密度的数据而增加。OSCN协议的流程图如下页图1所示。

3 信道模型

3.1模拟环境

建造了模拟环境下的3D数字建筑模型（DBM）。该模型准确地体现了建筑的每个部分，包括地面、墙、门及窗等。纸上或计算机辅助设计（CAD）文件内均可使用3D DBM。通常，给出的隔开区域位置及宽度精确性较高，大约为数厘米。使用3D DBM是为了设计出准确体现OMNeT++内建筑的模型［8］。图2是模拟环境，其中的不同材料会影响该区域的无线通信。

图2 某办公楼的模拟环境

4 测试结果及性能评估

本节中，将提出的协议与地理机会路由及简易机会频谱接入路由在吞吐量、包延迟及总能源消耗方面进行了比较。把校准后的信道模型作为无线信道模型。目的地节点位于楼层示意图的最东边，如图2所示。网络中的每个传感器节点均可成为收集数据的网关节点和传输数据的传感节点。基于IEEE 802.15.4.选取通信参数。全部模拟参数列于表1中。

表1 模拟参数

4.1认知无线电节点设备

在收集数据期间，使用了OMESH网络［11］中的OPM15无线电节点，如图3（a）所示。OPM15无线电以IEEE 802.15.4标准为基础用以实现OPM（适机认知无线网络）动态多频网络。通信速率为250 kb/s，频带为2.4 GHz。

图3 实验中的认知无线电节点设备

4.2吞吐量分析

吞吐量是指由传输比特所需时间划分的比特数量。10个不同源节点中的每个节点都会向目的地传输1 000个数据包。网络密度从50个节点增加到400个节点，致使平均有3个～8个邻居节点。随着网络密度的增加，能够传输数据的主动节点数量也随之增加。结果如图4所示。

图4 不同网络密度下的吞吐量

地理机会路由（GEOR）每次数据包传输都要受到PRR的限制。GEOR仅使用了1个信道。简易机会频谱接入（s-OSA）尝试使用多种信道进行数据包传输，而它仅通过可靠的链路转发数据包，即PRR＞0.8的链路。每传输100次DATA数据包就会发送身份包。因此，在吞吐量方面OSCN具有显而易见的优势。

s-OSA路由协议通过多种信道跟踪最可靠的链路。随着网络密度的增加，该方法中有更多可靠的链路。GEOR的表现优于s-OSA，原因在于GEOR也尝试利用网络中的不可靠链路。然而，由于使用了1个信道，该方法变得比OSCN更差。相较于其他两种方法，OSCN能得到最大吞吐量，原因在于OSCN结合了其他两种方法的优势。随着网络中节点数量的增加，中继主动节点数量也随之增加，致使出现更多朝向目的地的路径。OSCN尝试在每个时隙跟踪最佳的可用路径，也使用多种信道进行数据包传输。

4.3数据包的端到端延迟

网络中数据包的端到端延迟是指离开源头之后携带数据包到达目的地的时间。在含有200个随机分布的节点、平均5个邻居节点及传输时间为6.4 ms的网络中，10个不同源节点中的每个节点都会向目的地发送1 000个数据包。每个节点在缓冲区可储存5个数据包，然而，如果节点的缓冲区满了，节点就无法参与任何数据包的传输。在不同数据包到达率的情况下，数据包平均的端到端延迟见图5。

图5 不同数据包到达率的情况下数据包平均的端到端延迟

当数据包到达率高于缓冲区大小时，在3种方法中，均会增加平均端到端延迟。许多节点的缓冲区倾向于满的话，就会减少可用的中继节点数量。对于类似的中继节点，s-OSA仅使用最可靠的信道，然而，GEOR会在同一个信道使用不同的可用中继节点。

然而提出的OSCN协议在平均端到端延迟方面表现最佳。是因为协议中节点可以充当静止节点，也可以充当运动节点。在活动期间，静止节点会频繁地传播数据包。运动节点围绕静止节点运动，并收集数据包。收集到的数据包包括来自不同静止节点的RSSI数值。数据与静止节点的ID连同测量的时间戳一起储存在文件中。并且随着每秒内数据包数量的增加，OSCN协议方法倾向于通过多种信道寻找朝向目的地的多种路径，以便保持延迟处于低水平状态中，并尝试使用所有可用节点及信道。该方法在缓冲区使用了带有槽的节点，而在满的缓冲区的节点正尝试通过多种信道将数据包转发给许多邻居节点。

4.4网络能量消耗

网络能量消耗是指网络中所有节点的能量消耗数量。每个源节点向目的地发送100个数据包，而网络密度从50个节点增加到400个节点。分别用Ptrans和Pr/i表示传输及接收/空闲模式下的能量消耗。休眠模式下的消耗几乎比Ptrans和Pr/i少1 000倍，Ptrans和Pr/i可忽略不计［10］。假设Ptrans=15 mW，Pr/i=10 mW。每段距离中会有4个不同的目的地节点。在身份包传输期间，同样考虑到了能量消耗，但相较于总能量，可忽略不计。结果如图6所示。

图6 不同网络密度条件下的总能量消耗

s-OSA协议一直使用同一个中继节点，且冲突的次数也在增加。结果需要重新传输的次数也在增加，致使总能量消耗大。由于GEOR协议使用不同的中继节点，GEOR协议的表现比s-OSA更好，也减少了需要重新传输的次数，总能量消耗也比s-OSA协议中的小。

OSCN协议的表现比GEOR稍好。是因为在该OSCN协议中，当节点主动并且有许多数据包需要传输时，且如果信道已占满，节点可以通过多种信道转发数据包，不需要返回休眠模式，正如GEOR协议。尽管在OSCN中节点会在搜索不同的信道上花费精力，总精力消耗小于其他两种方法，如图6所示。

5 结论

本文提出了一种新的基于认知无线电的无线传感网系统，并设计了一种改进的机会频谱接入路由协议。协议动态地改变了用于传输的路径及信道，以便迅速适应网络可扩展性发生的任何变化。对提出协议的性能与简单型机会频谱接入协议及地理机会路由协议进行了比较。通过实验模拟对提出系统的性能进行评估。模拟结果显示，相比其他两种路由协议，提出的协议在吞吐量、包延迟及总能量消耗方面表现更佳。因此，提出的无线认知传感网系统能够迅速适应网络可扩展性发生的任何变化，并能保持WSN的复杂性。

［1］由磊，雷建军.认知无线视觉传感网络机会传输的分布式跨层优化［J］.天津大学学报，2013，19（10）：910-916.

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Design and Implementation of Wireless Sensor Network System Based on Cognitive Radio

YANG Ming
（School of Information and Control Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132022，China）

In order to improve the efficiency and performance index of cognitive radio sensor networks（CRSN）energy，a new wireless sensor network system based on cognitive radio，the sensor nodes in the system with improved opportunistic spectrum access routing protocol，the proposed protocol can better increase the network can be extended and improve the performance of the network is presented.A precise channel model is constructed to evaluate the signal intensity of different regions in the complex indoor environment.The performance of the proposed system is evaluated by experiments.The simulation results show that the proposed protocol performs better in terms of throughput，packet delay and total energy consumption compared with the other two routing protocols.

energy saving，wireless sensor networks，opportunistic routing，cognitive radio

TP391.9

A

1002-0640（2016）11-0182-05

2015-06-14

2015-07-27

吉林省教育厅“十二五”科研规划基金资助项目（2013325）

杨明（1982-），男，河北秦皇岛人，硕士，讲师。研究方向：图像与信号处理类、通信电子类教学与研究。