傅宇，余強(qiáng)，余娜，趙石真

（1.西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，成都　610039，2.西華大學(xué)外國(guó)語學(xué)院，成都　610039）

CRSN輕量級(jí)信道選擇算法

傅宇1，余強(qiáng)1，余娜2，趙石真1

（1.西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，成都610039，2.西華大學(xué)外國(guó)語學(xué)院，成都610039）

0　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）［1］在我們生活中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍，然而其靜態(tài)分配靜態(tài)資源分配方法使得很多頻段未得到充分利用，造成了對(duì)頻譜資源極大的浪費(fèi)，于是認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（CRSN［2-3］）應(yīng)運(yùn)而生，動(dòng)態(tài)地利用閑置空穴頻譜，大大提高了頻譜資源的利用率，是解決當(dāng)前頻譜資源短缺的有效途徑之一。為了保證信道選擇的正確性要求感知結(jié)果有很高的準(zhǔn)確性。考慮到傳感網(wǎng)絡(luò)分布的復(fù)雜性及拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的易變性，不同的信道條件下鏈路質(zhì)量表現(xiàn)也不盡相同，通常為了保證感知信息的準(zhǔn)確性會(huì)采用聯(lián)合感知的方法［4］或者使用先驗(yàn)概率進(jìn)行信道預(yù)判以進(jìn)行選擇［5］，亦可能是基于學(xué)習(xí)的機(jī)制，根據(jù)歷史信息做出信道選擇，這些算法能在一定程度上保證感知的準(zhǔn)確性，但是算法復(fù)雜度以及對(duì)能耗的要求一般較大，本文使用信道感知和鏈路感知相結(jié)合的方式，既保證了感知結(jié)果的準(zhǔn)確性又大大地降低了算法的復(fù)雜度及能耗。

1　改進(jìn)型預(yù)測(cè)算法分析

CRs表示認(rèn)知節(jié)點(diǎn)；CRd表示目的節(jié)點(diǎn)；CRM表示中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；PS表示主用戶授權(quán)信道；8個(gè)相互正交的信道的WSN網(wǎng)絡(luò)，sink節(jié)點(diǎn)配置8個(gè)接口 （即sink節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)在8個(gè)信道上收發(fā)數(shù)據(jù)包）；在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布N個(gè)CRs用戶對(duì)以及M個(gè)PS用戶節(jié)點(diǎn)，PS預(yù)先分配授權(quán)信道，CRs能夠?qū)Ξ?dāng)前信道進(jìn)行感知并識(shí)別出PS用戶的到來以主動(dòng)避讓，CRS用戶能夠根據(jù)算法切換到任意當(dāng)前可用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

主用戶對(duì)信道占用情況可以使用“生-滅”過程描述，即將主用戶對(duì)信道的使用與否用“生”、“滅”來描述，假設(shè)主用戶的出生率為αn，死亡率為βn，由此可以得到主用戶占用信道的概率Pon=αn/（αn+βn）以及離開的概率Poff=βn（αn+βn）；通信信道環(huán)境的狀況可以通過噪聲對(duì)信道的累計(jì)干擾作為指標(biāo)（PSINR）。通過信道和鏈路質(zhì)量聯(lián)合感知的方式確定最適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺?，有效地保證了感知的準(zhǔn)確性，充分利用空穴頻譜，在保證較低能耗的前提下提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2　輕量級(jí)信道選擇算法

當(dāng)前信道的信噪比PSINR定義為：

其中Psignal、Pnoise、Pinterface分別表示信號(hào)功率、 噪聲功率以及干擾功率。表示某一時(shí)刻干擾功率之和。平均檢測(cè)概率可以表示為：

式中γ表示檢測(cè)信噪比PSINR，fγ（x）表示信號(hào)在衰落環(huán)境下的分布函數(shù)。其中瑞利衰落信道下萊斯信道下式中K是萊斯因子。

相同的鏈路在信道質(zhì)量較好時(shí)往往有更好的表現(xiàn)，鏈路穩(wěn)定性可以表示為：

其中，PRR表示數(shù)據(jù)包的接受率，可以反映鏈路的穩(wěn)定性，σPRR表示PRR的標(biāo)準(zhǔn)方差，uPRR表示PRR的均值。

SANR反映了信道的狀態(tài)信息，但是由于受節(jié)點(diǎn)分布地理空間位置、傳感距離，以及拓?fù)渥兓挠绊?，僅由SANR不能保證傳感數(shù)據(jù)的有效性，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，這里綜合考慮PRR及鏈路穩(wěn)定性：

式中ω1∈［0，1］，ω2∈［0，1］，且ω1+ω2=1，ω1=0.7時(shí)當(dāng)前信道狀態(tài)較好，應(yīng)該動(dòng)態(tài)接入該信道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3　仿真及分析

8個(gè)相互正交的信道覆蓋在一個(gè)65m×65m的正方形場(chǎng)景內(nèi)，覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)分布25個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)間距離20m，由仿真結(jié)果可以看到，隨著比特率的不斷增加（x軸），結(jié)合了頻譜感知和鏈路狀態(tài)的輕量級(jí)算法，在x軸取7時(shí)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)開始顯現(xiàn)，當(dāng)比特率不斷增加時(shí)，優(yōu)勢(shì)愈來愈明顯。仿真證明了該輕量級(jí)算法在吞吐量上明顯優(yōu)于頻譜感知。

圖1　吞吐量

4　結(jié)語

通過對(duì)頻譜和鏈路狀態(tài)信息感知，并通過本文提供的算法，有效地改善傳感網(wǎng)絡(luò)在能耗及吞吐量上的表現(xiàn)，該算法的特點(diǎn)是結(jié)合信道以及鏈路的特征參數(shù)進(jìn)行信道決策而不是通過聯(lián)合頻譜感知的方式，在改善網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，保證算法的輕量，是傳感感知研究的新思路，為以后的研究提供了參考。本文假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是無方向的，即不考慮鏈路不對(duì)稱性對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，進(jìn)一步研究考慮關(guān)注在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛐詫?duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。

［1］Suleiman Zubair，Norsheila Fisal，Yakubu S.etal Assessing routing strategies for cognitive radio sensor networks［J］.Sensors，2013: 13005-13038.

［2］Tennina，Stefano，Bouroche e tal..EMMON:A WSN system architecture for large scale and dense real-time embedded monitoring.［C］// IEEE Computer Society，2011 IFIP 9th International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing，2011:150-157

［3］Hussain，Md.Asdaque，Khan et al.WSN research activities for military application.［C］//Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.2009:271-274.

［4］雷維嘉，高孝平，謝顯中.時(shí)間空間聯(lián)合頻譜檢測(cè)認(rèn)知協(xié)作分集系統(tǒng)的中斷概率分析.Signal Processing，2013，29（2）

［5］朱曉剛，楊兵，許華杰.支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)跟蹤的最鄰近數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法研究.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011，38（5）

Cognitive Radio；Dynamic Spectrum Access；Spectrum Sensing；Link

CRSN Lightweight Channel Selection Algorithm

FU Yu1，YU Qiang1，YU Na2，ZHAO Shi-zhen1
（1.School of Computer and Software Engineering，Xihua university，Chengdu610039；2.School of Foreign Language and Culture，Xihua university，Chengdu 610039）

1007-1423（2015）19-0008-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.19.002

傅宇（1989-），男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)

余強(qiáng)（1973-），男，四川成都人，副教授，博士，CCF會(huì)員，研究方向?yàn)榉植际接?jì)算、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)

余娜（1991-），女，安徽省池州人，碩士研究生，研究方向?yàn)檎J(rèn)知語言學(xué)、應(yīng)用語言學(xué)及認(rèn)知語言學(xué)應(yīng)用

趙石真（1990-），女，河南省漯河人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、入侵檢測(cè)

2015-05-19

2015-06-27

近年對(duì)認(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)研究基本上分為兩類：頻譜感知和基于概率預(yù)測(cè)，頻譜感知直接獲取物理層狀態(tài)信息能更加準(zhǔn)確，然而由于其算法一般較為復(fù)雜，能耗較高。提出一種輕量級(jí)算法，綜合考慮信道及鏈路狀態(tài)信息用以進(jìn)行信道決策，仿真表明該算法在保持較低能耗的前提下提高系統(tǒng)的吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)延遲。

認(rèn)知無線電；動(dòng)態(tài)頻譜接入；頻譜感知；鏈路

In recent years，research on cognitive radio dynamic spectrum access technology is basically divided into two categories:spectrum sensing and probabilistic forecasting，spectrum sensing direct access to the physical layer status information is more accurate，because of their algorithm is generally more complex，higher energy consumption.Proposes a lightweight algorithm，considering the channel and link state information for decision-channel，simulation shows that the algorithm increases the throughput of the system reduces network latency under the premise of maintaining low power consumption.