基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法技术

本发明专利技术涉及认知无线传感器网络技术，是一种基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法。认知传感器网络中的认知节点采用周期性的休眠‑唤醒机制，首先利用频谱感知技术判断主用户的状态，如果主用户不活跃，那么数据发送节点使用广播前导码的方式建立通信链路。各邻居节点按照唤醒的先后顺序，同时考虑距网关的跳数信息，自主决定充当中继节点进行数据转发。此外，由于主用户的回归或者漏警可能导致认知节点与主用户的传输冲突，本发明专利技术采用基于确认的重传机制，以保证数据包传输的可靠性。本发明专利技术不依赖于公共控制信道，可以实现认知传感器网络对授权频段的低开销可靠接入。

【技术实现步骤摘要】
基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法
本专利技术涉及无线传感器网络技术，具体地说是一种基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法。
技术介绍
无线传感器网络作为一种事件监测和数据采集技术，已广泛应用于环境监测、军事监控和工业应用等领域。随着无线业务的快速增长，由于无线传感器网络设备和WIFI，蓝牙，射频识别RFID等技术同样使用工业、科学及医疗频段，这使得该免授权频段变得非常拥挤。无线信道的开放共享特性使得无线传感器网络设备会受到其他技术干扰，影响了网络的性能。认知无线传感器网络将认知无线电技术引入到无线传感器网络中，可以实现认知传感器节点(CognitiveSensors，CSs)对授权频段的动态接入，为上述问题提供了解决思路。而决定认知无线传感器网络性能的关键点依然是介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)方法的设计。传统无线传感器网络的MAC方法，只考虑在免授权频段通信的情况下传感节点之间的传输冲突问题；而认知无线传感器网络主要面向授权频段，除了解决CSs之间的冲突，还需要严格保护主用户(PrimaryUsers，PUs)，实现CSs对PUs的透明传输。现有认知无线传感器网络MAC方法，大多通过假设一个预先设置的公共控制信道，用于CSs间交互控制信息。然而，采用公共控制信道本身就要浪费一个信道。此外，公共控制信道还存在控制信道饱和，一旦控制信道遭受攻击，则认知无线传感器网络不能正常工作。此外，由于CSs为了节省能量而采用休眠-唤醒机制，导致较大的数据包传输时延。
技术实现思路
针对传统认知传感器网络采用的机会频谱接入方法所存在的控制信道饱和、资源浪费以及休眠-唤醒机制造成传输时延增加的问题，本专利技术提出一种基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法，可以实现认知传感器网络对授权频段的低开销、高可靠和低时延接入。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法，认知传感器节点CS在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤：步骤1，频谱感知：CS检测主用户是否正在占用授权频段；主用户未占用授权频段，执行步骤2；否则，执行步骤7；步骤2，载波监听：CS进行载波监听；当载波监听结果显示信道未被占用时，执行步骤3；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，如果自身不满足转发条件，则执行步骤7，否则执行步骤6；当载波监听结果显示信道忙并且未接收到前导码时，执行步骤7；步骤3，CS检测自身数据队列长度；当数据队列不为空时，执行步骤4；否则执行步骤7；步骤4，广播发送前导码：CS在传输数据前，首先发送前导码，用来和邻居节点建立通信链路；步骤5，数据传输：如果CS发送前导码的过程中接收到邻居节点的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居节点发送数据包；如果数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，执行步骤7；否则，表示传输失败，执行步骤7；步骤6，前导码响应：CS进入接收状态，并发送响应ACK，表示准备接收数据；如果接收到数据包，则发送确认ACK告知发送节点，执行步骤7；否则，直接进入步骤7；步骤7，休眠：CS关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时；计时结束后重新唤醒，执行步骤1。所述CS检测主用户是否正在占用授权频段包括以下步骤：CS在主用户的一个工作频段上采集N个信号样本；其中，N＝f*Ts，f为CS的采样频率，Ts为频谱感知时间；将N个样本的信号能量与能量阈值ε进行比较；其中，y(n)为CS采集到的第n个信号样本；如果T(y)≥ε，CS判定主用户正在占用授权频段；否则，CS判定主用户未占用授权频段。所述前导码的发送周期不小于CS进行载波监听的时间间隔。所述前导码由若干个前导码短周期构成，每个前导码短周期分为发送和接收两部分，发送部分用来发送前导码，接收部分用来等待满足转发条件的邻居节点的ACK响应。所述前导码包括节点自身到网关的跳数。所述转发条件如下：H2<H1，H1表示发送节点到网关的跳数，H2表示自身到网关的跳数。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.在无需公共控制信道的前提下，通过前导侦听和频谱感知技术有效解决CS的空闲侦听问题和CS与主用户之间的传输冲突问题；2.采用广播前导侦听的方法，实现认知传感网络中数据的低延时、低开销和高可靠发送。附图说明图1为基于广播前导侦听的介质访问控制有限状态机图；图2为基于广播前导侦听的介质访问控制过程示例图一；图3为基于广播前导侦听的介质访问控制过程示例图二。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术涉及认知无线传感器网络技术，是一种基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法。认知传感器网络中的认知节点采用周期性的休眠-唤醒机制，首先利用频谱感知技术判断主用户的状态，如果主用户不活跃，那么数据发送节点使用广播前导码的方式建立通信链路。各邻居节点按照唤醒的先后顺序，同时考虑距网关的跳数信息，自主决定充当中继节点进行数据转发。此外，由于主用户的回归或者漏警可能导致认知节点与主用户的传输冲突，本专利技术采用基于确认的重传机制，以保证数据包传输的可靠性。本专利技术不依赖于公共控制信道，可以实现认知传感器网络对授权频段的低开销可靠接入。如图1所示，基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法，CS在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤：步骤1，频谱感知：CS采用能量检测技术检测PUs是否正在占用授权频段。当PUs未占用授权频段时，执行步骤2；否则，执行步骤7；所述PUs表示主用户(PrimaryUsers)；步骤2，载波监听：CS进行载波监听，当载波监听结果显示信道未被占用时，执行步骤3；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，如果自身不满足转发条件，则执行步骤7，否则执行步骤6；当载波监听结果显示信道忙并且未接收到前导码时，执行步骤7；步骤3，CS检测其数据队列长度，当数据队列不为空时，执行步骤4；否则执行步骤7；步骤4，广播发送前导码：CS在传输数据前，首先发送前导码，用来和邻居节点建立通信链路；步骤5，数据传输：如果CS发送前导码的过程中接收到邻居节点的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居节点发送数据包。如果数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，执行步骤7；否则，表示传输失败，执行步骤7，并于下一周期对发送失败的数据进行重传，若重传若干次仍然失败则丢弃该数据包；步骤6，前导码响应：CS进入接收状态，并发送响应ACK，表示其已经准备接收数据。如果接下来成功接收数据包，则发送确认ACK告知发送节点，执行步骤7；否则，直接进入步骤7；步骤7，休眠：CS关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时。计时结束后重新唤醒，执行步骤1。所述采用能量感知方法检测PUs是否正在占用授权频段，包括以下步骤：CS通过能量检测器采集N＝f*Ts个PUs信号样本，其中，f为采样频率，Ts为频谱感知时间；将该N个样本的信号能量与给定的能量阈值ε进行比较，其中，y(n)为通过能量检测器采集到第n个信号样本；如果T(y)≥ε，判定该授权频段正被PUs占用；否则，判定该授权频段未被PUs占用。所述前导码的发送方式如下：当CS进行数据传输前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法，其特征在于认知传感器节点CS在每个休眠‑唤醒周期执行以下步骤：步骤1，频谱感知：CS检测主用户是否正在占用授权频段；主用户未占用授权频段，执行步骤2；否则，执行步骤7；步骤2，载波监听：CS进行载波监听；当载波监听结果显示信道未被占用时，执行步骤3；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，如果自身不满足转发条件，则执行步骤7，否则执行步骤6；当载波监听结果显示信道忙并且未接收到前导码时，执行步骤7；步骤3，CS检测自身数据队列长度；当数据队列不为空时，执行步骤4；否则执行步骤7；步骤4，广播发送前导码：CS在传输数据前，首先发送前导码，用来和邻居节点建立通信链路；步骤5，数据传输：如果CS发送前导码的过程中接收到邻居节点的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居节点发送数据包；如果数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，执行步骤7；否则，表示传输失败，执行步骤7；步骤6，前导码响应：CS进入接收状态，并发送响应ACK，表示准备接收数据；如果接收到数据包，则发送确认ACK告知发送节点，执行步骤7；否则，直接进入步骤7；步骤7，休眠：CS关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时；计时结束后重新唤醒，执行步骤1。...

【技术特征摘要】
1.基于广播前导侦听的认知传感器网络介质访问控制方法，其特征在于认知传感器节点CS在每个休眠-唤醒周期执行以下步骤：步骤1，频谱感知：CS检测主用户是否正在占用授权频段；主用户未占用授权频段，执行步骤2；否则，执行步骤7；步骤2，载波监听：CS进行载波监听；当载波监听结果显示信道未被占用时，执行步骤3；当载波监听结果显示信道忙并且接收到前导码时，如果自身不满足转发条件，则执行步骤7，否则执行步骤6；当载波监听结果显示信道忙并且未接收到前导码时，执行步骤7；步骤3，CS检测自身数据队列长度；当数据队列不为空时，执行步骤4；否则执行步骤7；步骤4，广播发送前导码：CS在传输数据前，首先发送前导码，用来和邻居节点建立通信链路；步骤5，数据传输：如果CS发送前导码的过程中接收到邻居节点的响应ACK，则立即停止前导码的发送，并开始向该邻居节点发送数据包；如果数据包发送完成后接收到确认ACK，则表示数据包发送成功，执行步骤7；否则，表示传输失败，执行步骤7；步骤6，前导码响应：CS进入接收状态，并发送响应ACK，表示准备接收数据；如果接收到数据包，则发送确认ACK告知发送节点，执行步骤7；否则，直接进入步骤7；步骤7，休眠：CS关闭射频收发器，同时打开超时定时器进行计时；计时结束后重新唤醒，执行步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑萌，都满毅，梁炜，于海斌，杨雨沱，刘帅，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21