楊明

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林132022）

基于認(rèn)知無線電的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊明

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林132022）

為了提高認(rèn)知無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)（CRSN）中的能量使用效率和性能指標(biāo)，提出了一種新的基于認(rèn)知無線電的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)均使用改進(jìn)的機(jī)會頻譜接入路由協(xié)議，提出的協(xié)議能夠更好地增加網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和提高網(wǎng)絡(luò)性能。構(gòu)建了精確的信道模型以便評估復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境不同區(qū)域的信號強(qiáng)度，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M對提出系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估。模擬結(jié)果顯示，相比其他兩種路由協(xié)議，提出的協(xié)議在吞吐量、包延遲及總能量消耗方面表現(xiàn)更佳。

節(jié)能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，機(jī)會路由，認(rèn)知無線電

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性要求的增加，威脅無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）成功部署和發(fā)展的挑戰(zhàn)是能量效率，該挑戰(zhàn)迫在眉睫。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的工作量在某一時(shí)間范圍內(nèi)非常大時(shí)，許多傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)連接或斷開。例如，當(dāng)監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)和事件跟蹤時(shí)，一旦發(fā)生事件，工作量就會急劇增加。此外，當(dāng)藍(lán)牙、WiFi等應(yīng)用共享了全球通用的2.4 GHz頻帶時(shí)，許多WSN會在無授權(quán)的頻段中運(yùn)行［1］。因此，研究WSN的能量消耗及頻譜接入問題變得十分重要。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會路由能夠減輕該問題的嚴(yán)重性。在機(jī)會路由中，遵循下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)之后，去往目的地的路徑會發(fā)生動(dòng)態(tài)改變。一個(gè)值得推薦的解決方案是，運(yùn)用認(rèn)知無線電（CR）技術(shù)結(jié)合無線傳感器節(jié)點(diǎn)，在WSN中運(yùn)用動(dòng)態(tài)頻譜接入（DSA）模型以便為自身提供接近不擁擠頻譜的機(jī)會。通常，可以將認(rèn)知無線電傳感器網(wǎng)絡(luò)（CRSN）定義為認(rèn)知無線電傳感器節(jié)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)，可以感知事件信號并通過多跳的方式動(dòng)態(tài)地協(xié)作傳遞可用頻段的讀數(shù)，以最終滿足應(yīng)用系統(tǒng)的專用要求［2］。將兩種方案結(jié)合起來使用會產(chǎn)生不錯(cuò)的效果。

普遍認(rèn)為機(jī)會路由能夠提高無線自組網(wǎng)及傳感器網(wǎng)絡(luò)性能，因此，機(jī)會路由受到了越來越多的關(guān)注［3］。根據(jù)預(yù)期傳輸計(jì)數(shù)度量（ETX），極端機(jī)會路由（ExOR）［4］通過允許路由器使用多路徑路由去往目的地而提出了該想法，該計(jì)數(shù)度量是基于接收器與目的地之間的距離。距離越短，越有優(yōu)先權(quán)。然而，簡易的傳輸機(jī)制可能會導(dǎo)致出現(xiàn)重復(fù)包。文獻(xiàn)［5］中介紹了地理隨機(jī)中繼（GeRaF）技術(shù)。在GeRaF中，每個(gè)數(shù)據(jù)包都會傳遞發(fā)送器及目的地的位置，以便讓發(fā)送器根據(jù)位置信息優(yōu)先選取候選節(jié)點(diǎn)。盡管這些技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，仍需要知道網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的位置信息。文獻(xiàn)［6］中提出了多跳無線自組網(wǎng)的分布式自適應(yīng)機(jī)會路由方案。這些方法利用了無線網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會路由，但沒有與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念結(jié)合。

在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，文獻(xiàn)［7］提出了頻譜感知路由。頻譜感知網(wǎng)格路由（SAMER）通過擁有較高頻譜可用性和質(zhì)量的路徑并按指定路線發(fā)送通信量。SAMER嘗試平衡路由的長期穩(wěn)定性與短期的機(jī)會性能。文獻(xiàn)［8］介紹了頻譜感知機(jī)會路由算法。機(jī)會路由算法運(yùn)用了機(jī)會鏈路傳輸（OLT）度量，這是傳輸延遲、數(shù)據(jù)包的排隊(duì)延遲與鏈路接入延遲的結(jié)合。通過提出信道接入的可能性來描述機(jī)會CR鏈路的特征，多信道頻譜感知機(jī)會路由［9］。

本文嘗試填補(bǔ)WSN中機(jī)會路由與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)之間的差距。因此，提出了一種新的基于認(rèn)知無線電的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)均使用改進(jìn)的機(jī)會頻譜接入路由協(xié)議，通過將機(jī)會路由與動(dòng)態(tài)頻譜接入結(jié)合。建造并校準(zhǔn)了信道模型。在提供性能評估及模擬分析的同時(shí)提供了模擬結(jié)果。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1網(wǎng)絡(luò)地址機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址都會受到發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的限制，并與距目的地節(jié)點(diǎn)的距離相關(guān)?？紤]到節(jié)點(diǎn)地址i及目的地節(jié)點(diǎn)地址dst，應(yīng)在本地得到發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)ci，dst。通常，在WSN中，該發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)與兩節(jié)點(diǎn)之間的距離相關(guān)聯(lián)［3］。

在提出的協(xié)議中，目的地節(jié)點(diǎn)會向網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳播身份通知包。該數(shù)據(jù)包的發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)字段等于0。接收該數(shù)據(jù)包時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)i會根據(jù)與目的地ci，dst之間的距離更新發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)字段。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)均已傳播了所有數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會知道各自的發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以在本地更新各自的發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)新的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，可以通過獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的邏輯地址來估計(jì)自己的邏輯地址。當(dāng)節(jié)點(diǎn)斷開網(wǎng)絡(luò)或出現(xiàn)不同的源節(jié)點(diǎn)時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址均保持一致。只有目的地節(jié)點(diǎn)發(fā)生改變時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)地址機(jī)制才會再次出現(xiàn)。

1.2鏈路模型

影響2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)闹饕蛩赜?個(gè)：信道的可用性、信道接入的優(yōu)先權(quán)及包接收無線電。

1）信道的可用性：在2個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間的鏈路中，有許多可用的信道Nch。當(dāng)節(jié)點(diǎn)中有數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，就會在所有Nch信道之間尋找可用信道。如果所有信道都已占滿，節(jié)點(diǎn)只能等待下一個(gè)可用信道。應(yīng)仔細(xì)選擇信道Nch的數(shù)量。盡管信道會引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)感知所有信道，大多數(shù)信道可能沒有用。另一方面，Nch上較小的值無法充分利用認(rèn)知無線電的概念。

2）信道接入的優(yōu)先權(quán)：當(dāng)信道Chi處于空閑狀態(tài)時(shí)，需要傳輸數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)會競爭該信道。當(dāng)節(jié)點(diǎn)通過信道傳輸時(shí)，該傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都不能使用該信道。因此，優(yōu)先權(quán)標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。本文把距目的地的距離作為優(yōu)先權(quán)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址的遠(yuǎn)近，距目的地越近的節(jié)點(diǎn)更有優(yōu)先進(jìn)入下一個(gè)可用信道的權(quán)利。

3）包接收無線電：當(dāng)節(jié)點(diǎn)通過信道Chi向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，該信道就會產(chǎn)生包接收無線電（PRR）。為了模擬帶有缺少信道編碼的二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）消耗型WSN所用的現(xiàn)實(shí)信道模型，使用了文獻(xiàn)［11］中的對數(shù)正態(tài)陰影路徑消耗模型：

其中，Lf是幀的長度，di，j是傳輸器節(jié)點(diǎn)i與接收器節(jié)點(diǎn)j之間的距離，γ（d）是信號噪聲比（SNR），ρ是編碼無線電。接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI）測量可用于確定SNR。這些活動(dòng)的主要目標(biāo)在于更加真實(shí)地計(jì)算出PRR，如式（1）所示。

2 提出的帶有機(jī)會頻譜接入路由協(xié)議的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)

2.1鄰居發(fā)現(xiàn)過程

網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)i都知道各自的相對位置，因此，能將周圍的節(jié)點(diǎn)分為鄰居節(jié)點(diǎn)集Ai和候選節(jié)點(diǎn)集Ki。

節(jié)點(diǎn)i上的鄰居節(jié)點(diǎn)集Ai是節(jié)點(diǎn)i傳輸范圍R內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的集合。

其中，S是網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的集合，di，j是節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的距離，R是節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。

節(jié)點(diǎn)i的候選節(jié)點(diǎn)集Ki是Ai內(nèi)節(jié)點(diǎn)的集合，比傳輸節(jié)點(diǎn)i距目的地節(jié)點(diǎn)的距離更近。候選節(jié)點(diǎn)集是鄰居節(jié)點(diǎn)集的子集，即Ki≤Ai，定義如下：

該過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同樣也會根據(jù)各自周圍鄰居節(jié)點(diǎn)Ai的數(shù)量創(chuàng)建度量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收了來自不同鄰居節(jié)點(diǎn)的同一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，就可以計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)均已傳輸了數(shù)據(jù)包時(shí)，鄰居發(fā)現(xiàn)過程結(jié)束。整個(gè)過程結(jié)束后，網(wǎng)路中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均會有必要信息開始數(shù)據(jù)傳輸。

2.2數(shù)據(jù)包傳輸過程

鄰居發(fā)現(xiàn)過程之后，就會開始從節(jié)點(diǎn)到目的地的數(shù)據(jù)包傳輸過程。有4種數(shù)據(jù)包類型：數(shù)據(jù)、確認(rèn)字符（ACK）、請求發(fā)送（RTS）及清除發(fā)送（CTS）。每次數(shù)據(jù)包傳輸都會受到PRR的限制。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i向目的地節(jié)點(diǎn)dst傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，候選集Ki內(nèi)的傳輸器節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)之間就會出現(xiàn)RTS/CTS握手。傳輸器尋找可用的信道Chi向可用的信道填滿RTS數(shù)據(jù)包，并等待時(shí)間TRTS或直到第一個(gè)回復(fù)。由于傳輸器會向Ai集的每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)填滿RTS數(shù)據(jù)包，傳輸器可能會從Ai而不是Ki的節(jié)點(diǎn)得到回復(fù)。這種情況下，傳輸器會忽略回復(fù)，并只接收從候選集Ki內(nèi)的節(jié)點(diǎn)處得到的回復(fù)。傳輸器會在同一個(gè)信道Chi等待回復(fù)。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件及傳輸器與每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離，鄰居集的一些節(jié)點(diǎn)會接收RTS數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)i重新傳輸數(shù)據(jù)之前，只能等待時(shí)間：

其中，RTSsize/CTSsize是RTS/CTS數(shù)據(jù)包的尺寸，Ttr是傳輸率，Tpd是傳播延遲，需要到達(dá)處于傳輸器傳輸范圍R內(nèi)限度的節(jié)點(diǎn)，SIFS是短幀間間隔，即RTS與CTS傳輸之間的短時(shí)間間隔。

時(shí)間TRTS之后，傳輸器會假設(shè)RTS數(shù)據(jù)包丟失，需重新傳輸。在OSCN協(xié)議中，隨著鄰居節(jié)點(diǎn)Ai的數(shù)量增加，TRTS也會增加，所以傳輸器需要等待更長時(shí)間得到回復(fù)。這樣，所有鄰居節(jié)點(diǎn)會有足夠的時(shí)間在傳輸器假設(shè)RTS數(shù)據(jù)包丟失前回復(fù)RTS。因此，避免了重新傳輸，保存了能量。

一旦接收了RTS數(shù)據(jù)包，如果可以立即進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，且沒有其他數(shù)據(jù)包等待傳輸，鄰居節(jié)點(diǎn)k就會向節(jié)點(diǎn)i回復(fù)CTS數(shù)據(jù)包。傳輸CTS數(shù)據(jù)包之前，鄰居節(jié)點(diǎn)k會等待時(shí)間：

其中，di，dst是傳輸器節(jié)點(diǎn)i與目的地節(jié)點(diǎn)dst之間的距離，dk，dst是鄰居節(jié)點(diǎn)k與目的地節(jié)點(diǎn)dst之間的距離，C1是常量。為了讓節(jié)點(diǎn)在傳輸器傳播同一個(gè)RTS數(shù)據(jù)包之前就以CTS數(shù)據(jù)包作為回復(fù)，從式（4）可知，C1應(yīng)該比SIFS小，即C1＜＜SIFS。此外，隨著鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，Tbackoff會隨之減少。會有更多可用的鄰居節(jié)點(diǎn)，因此，各節(jié)點(diǎn)的后退時(shí)間應(yīng)該更短，所以，能夠在TRTS結(jié)束時(shí)準(zhǔn)時(shí)回復(fù)傳輸器節(jié)點(diǎn)。

從式（4）和式（5）可以推斷出，在距傳輸器的特定距離中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性發(fā)生改變，鄰近節(jié)點(diǎn)的最佳數(shù)量可以將花費(fèi)在TRTS和Tbackoff上的總時(shí)間降到最短。

該時(shí)間之后，為了在與RTS同一個(gè)信道上以CTS數(shù)據(jù)包作為回復(fù)，鄰居節(jié)點(diǎn)k會檢查信道Chi是否可用。如果信道不可用，鄰居節(jié)點(diǎn)會等待。由于CTS數(shù)據(jù)包傳輸也會受到PRR的限制，一些數(shù)據(jù)包可能會丟失。一旦成功接收了CTS數(shù)據(jù)包，傳輸器會向首先以CTS數(shù)據(jù)包作為回復(fù)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)DATA數(shù)據(jù)包，并會忽略同一個(gè)DATA數(shù)據(jù)包之后產(chǎn)生的CTS數(shù)據(jù)包。然而，可以使用同一個(gè)DATA數(shù)據(jù)包中所有的CTS數(shù)據(jù)包來更新以后傳輸?shù)腁i度量。當(dāng)RTS/CTS握手和傳輸器會為DATA數(shù)據(jù)包等待ACK時(shí)，DATA數(shù)據(jù)包傳輸會在同一個(gè)信道再次出現(xiàn)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)會在緩沖區(qū)中儲存副本，并會等待ACK。節(jié)點(diǎn)等待ACK花費(fèi)的時(shí)間表示如下：

其中，ACKsize/DATAsize是DATA/ACK數(shù)據(jù)包的尺寸。如果TACK之后沒有ACK，在式（6）中，節(jié)點(diǎn)會再次傳輸DATA數(shù)據(jù)包。每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)會跟隨同一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸過程。之后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包傳輸可能使用不同的路徑和不同的信道。該過程會一直持續(xù)，直到所有數(shù)據(jù)包均到達(dá)目的地節(jié)點(diǎn)。OSCN的選擇標(biāo)準(zhǔn)是指節(jié)點(diǎn)與目的地之間的距離，會隨著網(wǎng)絡(luò)密度的數(shù)據(jù)而增加。OSCN協(xié)議的流程圖如下頁圖1所示。

3 信道模型

3.1模擬環(huán)境

建造了模擬環(huán)境下的3D數(shù)字建筑模型（DBM）。該模型準(zhǔn)確地體現(xiàn)了建筑的每個(gè)部分，包括地面、墻、門及窗等。紙上或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件內(nèi)均可使用3D DBM。通常，給出的隔開區(qū)域位置及寬度精確性較高，大約為數(shù)厘米。使用3D DBM是為了設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確體現(xiàn)OMNeT++內(nèi)建筑的模型［8］。圖2是模擬環(huán)境，其中的不同材料會影響該區(qū)域的無線通信。

圖2 某辦公樓的模擬環(huán)境

4 測試結(jié)果及性能評估

本節(jié)中，將提出的協(xié)議與地理機(jī)會路由及簡易機(jī)會頻譜接入路由在吞吐量、包延遲及總能源消耗方面進(jìn)行了比較。把校準(zhǔn)后的信道模型作為無線信道模型。目的地節(jié)點(diǎn)位于樓層示意圖的最東邊，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均可成為收集數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳輸數(shù)據(jù)的傳感節(jié)點(diǎn)?；贗EEE 802.15.4.選取通信參數(shù)。全部模擬參數(shù)列于表1中。

表1 模擬參數(shù)

4.1認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)設(shè)備

在收集數(shù)據(jù)期間，使用了OMESH網(wǎng)絡(luò)［11］中的OPM15無線電節(jié)點(diǎn)，如圖3（a）所示。OPM15無線電以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)用以實(shí)現(xiàn)OPM（適機(jī)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)）動(dòng)態(tài)多頻網(wǎng)絡(luò)。通信速率為250 kb/s，頻帶為2.4 GHz。

圖3 實(shí)驗(yàn)中的認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)設(shè)備

4.2吞吐量分析

吞吐量是指由傳輸比特所需時(shí)間劃分的比特?cái)?shù)量。10個(gè)不同源節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會向目的地傳輸1 000個(gè)數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)密度從50個(gè)節(jié)點(diǎn)增加到400個(gè)節(jié)點(diǎn)，致使平均有3個(gè)～8個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)密度的增加，能夠傳輸數(shù)據(jù)的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也隨之增加。結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同網(wǎng)絡(luò)密度下的吞吐量

地理機(jī)會路由（GEOR）每次數(shù)據(jù)包傳輸都要受到PRR的限制。GEOR僅使用了1個(gè)信道。簡易機(jī)會頻譜接入（s-OSA）嘗試使用多種信道進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，而它僅通過可靠的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，即PRR＞0.8的鏈路。每傳輸100次DATA數(shù)據(jù)包就會發(fā)送身份包。因此，在吞吐量方面OSCN具有顯而易見的優(yōu)勢。

s-OSA路由協(xié)議通過多種信道跟蹤最可靠的鏈路。隨著網(wǎng)絡(luò)密度的增加，該方法中有更多可靠的鏈路。GEOR的表現(xiàn)優(yōu)于s-OSA，原因在于GEOR也嘗試?yán)镁W(wǎng)絡(luò)中的不可靠鏈路。然而，由于使用了1個(gè)信道，該方法變得比OSCN更差。相較于其他兩種方法，OSCN能得到最大吞吐量，原因在于OSCN結(jié)合了其他兩種方法的優(yōu)勢。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，中繼主動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也隨之增加，致使出現(xiàn)更多朝向目的地的路徑。OSCN嘗試在每個(gè)時(shí)隙跟蹤最佳的可用路徑，也使用多種信道進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。

4.3數(shù)據(jù)包的端到端延遲

網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的端到端延遲是指離開源頭之后攜帶數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地的時(shí)間。在含有200個(gè)隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)、平均5個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)及傳輸時(shí)間為6.4 ms的網(wǎng)絡(luò)中，10個(gè)不同源節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會向目的地發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在緩沖區(qū)可儲存5個(gè)數(shù)據(jù)包，然而，如果節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)滿了，節(jié)點(diǎn)就無法參與任何數(shù)據(jù)包的傳輸。在不同數(shù)據(jù)包到達(dá)率的情況下，數(shù)據(jù)包平均的端到端延遲見圖5。

圖5 不同數(shù)據(jù)包到達(dá)率的情況下數(shù)據(jù)包平均的端到端延遲

當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)率高于緩沖區(qū)大小時(shí)，在3種方法中，均會增加平均端到端延遲。許多節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)傾向于滿的話，就會減少可用的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量。對于類似的中繼節(jié)點(diǎn)，s-OSA僅使用最可靠的信道，然而，GEOR會在同一個(gè)信道使用不同的可用中繼節(jié)點(diǎn)。

然而提出的OSCN協(xié)議在平均端到端延遲方面表現(xiàn)最佳。是因?yàn)閰f(xié)議中節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)靜止節(jié)點(diǎn)，也可以充當(dāng)運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在活動(dòng)期間，靜止節(jié)點(diǎn)會頻繁地傳播數(shù)據(jù)包。運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)圍繞靜止節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并收集數(shù)據(jù)包。收集到的數(shù)據(jù)包包括來自不同靜止節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)值。數(shù)據(jù)與靜止節(jié)點(diǎn)的ID連同測量的時(shí)間戳一起儲存在文件中。并且隨著每秒內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，OSCN協(xié)議方法傾向于通過多種信道尋找朝向目的地的多種路徑，以便保持延遲處于低水平狀態(tài)中，并嘗試使用所有可用節(jié)點(diǎn)及信道。該方法在緩沖區(qū)使用了帶有槽的節(jié)點(diǎn)，而在滿的緩沖區(qū)的節(jié)點(diǎn)正嘗試通過多種信道將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給許多鄰居節(jié)點(diǎn)。

4.4網(wǎng)絡(luò)能量消耗

網(wǎng)絡(luò)能量消耗是指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗數(shù)量。每個(gè)源節(jié)點(diǎn)向目的地發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)包，而網(wǎng)絡(luò)密度從50個(gè)節(jié)點(diǎn)增加到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。分別用Ptrans和Pr/i表示傳輸及接收/空閑模式下的能量消耗。休眠模式下的消耗幾乎比Ptrans和Pr/i少1 000倍，Ptrans和Pr/i可忽略不計(jì)［10］。假設(shè)Ptrans=15 mW，Pr/i=10 mW。每段距離中會有4個(gè)不同的目的地節(jié)點(diǎn)。在身份包傳輸期間，同樣考慮到了能量消耗，但相較于總能量，可忽略不計(jì)。結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)密度條件下的總能量消耗

s-OSA協(xié)議一直使用同一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，且沖突的次數(shù)也在增加。結(jié)果需要重新傳輸?shù)拇螖?shù)也在增加，致使總能量消耗大。由于GEOR協(xié)議使用不同的中繼節(jié)點(diǎn)，GEOR協(xié)議的表現(xiàn)比s-OSA更好，也減少了需要重新傳輸?shù)拇螖?shù)，總能量消耗也比s-OSA協(xié)議中的小。

OSCN協(xié)議的表現(xiàn)比GEOR稍好。是因?yàn)樵谠揙SCN協(xié)議中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)并且有許多數(shù)據(jù)包需要傳輸時(shí)，且如果信道已占滿，節(jié)點(diǎn)可以通過多種信道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，不需要返回休眠模式，正如GEOR協(xié)議。盡管在OSCN中節(jié)點(diǎn)會在搜索不同的信道上花費(fèi)精力，總精力消耗小于其他兩種方法，如圖6所示。

5 結(jié)論

本文提出了一種新的基于認(rèn)知無線電的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的機(jī)會頻譜接入路由協(xié)議。協(xié)議動(dòng)態(tài)地改變了用于傳輸?shù)穆窂郊靶诺?，以便迅速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性發(fā)生的任何變化。對提出協(xié)議的性能與簡單型機(jī)會頻譜接入?yún)f(xié)議及地理機(jī)會路由協(xié)議進(jìn)行了比較。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M對提出系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估。模擬結(jié)果顯示，相比其他兩種路由協(xié)議，提出的協(xié)議在吞吐量、包延遲及總能量消耗方面表現(xiàn)更佳。因此，提出的無線認(rèn)知傳感網(wǎng)系統(tǒng)能夠迅速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性發(fā)生的任何變化，并能保持WSN的復(fù)雜性。

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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

吉林省教育廳“十二五”科研規(guī)劃基金資助項(xiàng)目（2013325）

楊明（1982-），男，河北秦皇島人，碩士，講師。研究方向：圖像與信號處理類、通信電子類教學(xué)與研究。