異質節點分離CRSN中MAC協議設計與性能分析

孟得月，裴二榮，黃佑林

（重慶郵電大學，重慶 400065）

異質節點分離CRSN中MAC協議設計與性能分析

孟得月，裴二榮，黃佑林

（重慶郵電大學，重慶 400065）

認知無線傳感器網絡（CRSN）是一種將認知無線電（CR）技術引入傳統WSN中的新型網絡，具有一定的應用價值和發展前景。然而，CRSN中的認知功能帶來的額外能耗和處理要求及其高成本實現，阻礙了它的進一步發展及應用?；诖耍岢鰧⒄J知功能遷移到另外一類節點——認知節點，并使其擁有較強的處理能力和能量收集能力。認知節點與普通傳感器節點按照一定比例進行部署，組成另外一種新型網絡——異質節點CRSN（HT-CRSN），這種新型網絡能夠提高網絡性能并降低部署成本。并提出了一種能夠適用于這種異質節點傳感器網絡的工作時序及其一系列可行性的MAC協議（FBP等）。通過對所提MAC協議的能耗分析，說明可以通過調整兩類異質節點的部署比例和能量收集速率均衡兩類異質節點的能耗，進而提高網絡生命周期。

無線傳感器網絡；認知無線傳感器網絡；異質節點；工作時序；MAC協議

1 引言

21世紀以來，無線通信、微芯片制造等技術的進步促進了WSN（wireless sensor network，無線傳感器網絡）的大規模部署。然而，工作在免授權工業、科學、醫學（industrial scientific medical，ISM）頻段的WSN與其他無線通信技術（如Wi-Fi、藍牙、WiMAX、ZigBee等）頻譜共享，導致各種無線設備間的干擾日益嚴重，顯著降低 WSN性能，影響了WSN的繼續發展。

近幾年，認知無線電（cognitive radio，CR）技術受到了學術界的廣泛關注，由于CR具有頻譜感知和動態改變其工作參數的能力[1]，一些研究人員提出將CR技術引入WSN，由這些具有CR功能的傳感器節點組成的網絡就稱為認知無線傳感器網絡（cognitive radio sensor network，CRSN）[2,3]。

與傳統WSN相比，CRSN在動態頻譜接入、并發數據的伺機信道利用、適應性的能耗降低、多個異構 WSN的重疊部署等方面擁有較大的優勢，并且具有一定的應用價值和發展前景。

然而，CRSN的實現面臨著以下幾個挑戰性的問題[3]：

? 傳感器節點固有的資源（能量和處理能力）約束；

? 認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知傳感器節點的設計；

? 密集部署的 WSN中無需授權和授權頻段上的多跳伺機通信等。

在這幾個挑戰性問題中，第4個問題是CRSN實現的具體技術問題，相對于其他問題而言不難實現。研究前3個挑戰性問題不難發現，這幾個挑戰性問題產生的根源可以歸結于以下兩個主要矛盾：

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

? 認知功能導致的CRSN高成本實現與其低成本要求的矛盾。

具體地說，與傳統WSN相比，CRSN中的傳感器節點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點本已受限的能量和處理能力；另外，網絡中的傳感器節點處理能力有限，常常需要多個傳感器節點進行協作頻譜感知后再通過協調器融合判決，它們之間感知信息的交互也導致了大量的能耗。這些由認知功能帶來的額外能耗和處理要求與傳感器節點固有的資源約束產生了巨大的矛盾，極大地增加了認知傳感器節點的設計難度。如果不加以解決，將極大地縮短CRSN的生命周期，阻礙CRSN的發展與應用（與第一個矛盾對應）。

CR接收機的生產成本取決于其頻譜感知所采用的技術，技術越復雜則越昂貴，精確度也越高。以最簡單的基于能量探測的頻譜感知技術為例（這種技術需要在短時間內探測大量的樣本，然后計算它們的加權或等權平均值，再與預先設定的閾值比較），它的生產成本也遠高于只能進行簡單處理的廉價傳感器節點。WSN節點往往是大規模部署在某一監測區域，并且在每個傳感器節點上都搭載一個CR接收機，因此增加了網絡的部署成本，進而增加了低成本認知傳感器節點的設計難度。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用前景（與第二個矛盾對應）。

因此，在認知功能給CRSN帶來眾多優點的情況下，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性的問題。就目前發表的與CRSN相關文獻來看，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）技術是一種能將環境能量（太陽能、風能等）轉化為電能的技術。通過當前期望的能量水平調整性能參數，這種技術有望替代傳統的供電傳感器節點，具有緩解CRSN額外能耗的潛能[4-6]。

基于現有 CRSN的缺點以及能力收集技術的最新研究，本文提出將 CRSN節點的認知功能獨立成另外的節點，即認知節點（cognitive node，CN）。CN在網絡中的主要功能是頻譜感知和協調完成通信任務（中繼轉發等）。擁有最新的能量收集技術的 CN可以有效彌補其在工作中能耗較多的缺陷。雖然CN的生產成本較高，但是可以通過少量部署（如按照CN和傳感器節點1:N的比例部署）的原則降低整個網絡的硬件成本。因此一個包含 CN和傳感器節點（sensor node，SN）的 CRSN并不會比傳統的CRSN造價更高，而會更少。這種新型節點有望解決上述提出的兩個主要矛盾，促進 CRSN不斷發展。

這種擁有新型認知節點的網絡是由兩種不同類型的節點組成，為區別傳統 CRSN，本文稱其為異質節點CRSN（heterogeneous node CRSN，HT-CRSN）。同時，傳統CRSN被稱為同質節點CRSN（homogeneous node CRSN，HM-CRSN）。

在HT-CRSN中，CN負責可用頻譜的感知和數據的中繼傳輸，SN負責對周邊環境進行探測和數據采集。每次 SN采集到的數據需要傳輸時，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行發送數據，因此，SN也需要有動態改變工作參數的能力。顯然在HT-CRSN中，兩種異質節點只有緊密結合、協調有序地工作才能完成每次的通信任務。因此有必要開發出一種適合于這種異質節點共存的 CRSN的工作時序及其相應的 MAC協議，使它們能夠正常工作并發揮出這種新型網絡的優勢。HT-CRSN與HM-CRSN、WSN 3種網絡中節點功能的對比見表1。

表1 3種網絡節點的比較

目前大量的基于WSN的MAC協議已經發表[7-13]，但是它們沒有考慮到CR技術帶來的改變，顯然不能直接應用于CRSN；同時目前基于CRSN的MAC協議也已經有較多文獻[14-22]發表，然而因為它們都是基于認知功能和傳感器節點一體化，即基于同質節點的MAC協議，沒有對相互獨立的CN和SN的協調工作進行研究，也無法用于HT-CRSN中。參考文獻[23]提出了一種在異質認知無線電網絡（heterogeneous cognitive radio network）環境中的基于群論框架（group-theoretic framework）的交匯協議。然而，這篇文獻中所提到的異質環境在于認知節點的屬性不同，如認知節點間的同步時間、所探測到的信道以及信道標簽函數的不同，與本文中所提到的異質節點環境完全不同。參考文獻[24]基于異質信道環境，分簇過程中傳感器節點很難發現簇頭問題，通過引入短暫的支持節點（temporary support node），提出了一個新穎的能量有效的緊湊分簇方案。然而，在這篇參考文獻中所提到的這種支持節點只是短暫的輔助節點，與本文中所提的認知節點與傳感器節點分離有極大的不同。參考文獻[25]是在異質信道環境下的動態資源分配問題，首先在已知信道分配的假設下，使用拉格朗日對偶算法，解決最佳的功率問題，然后利用離散隨機優化算法，解決聯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點的協調工作，因此與本文主要研究的內容聯系不大。

本文在提出 HT-CRSN后，為這種異質節點的傳感器網絡設計一種新的工作時序以及適應這種新型網絡的一系列可行的 MAC協議。相對于傳統的 MAC協議，在本文所提的 FBP（fast broadcast protocol，快速廣播協議）、FRP（fast data relay protocol，快速數據中轉協議）中，這種新型網絡中的兩類異質節點的能耗均衡可以通過調整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協議，可以有效地均衡能耗，提高網絡生命周期。同時本文對 HT-CRSN的吞吐量、時延、網絡開銷也做了分析說明。

2 網絡模型

假定M個CN和N個SN均勻部署在一個以sink節點為圓心、R為半徑的監測區域，如圖 1所示。雖然實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，近似均勻地部署在監測區域并不難做到。

圖1 網絡模型

CN和SN都只配備一個收發器，在同一時刻只能發送或接收數據。SN雖然不具有頻譜感知功能，但是它應該具備改變工作參數的能力，這樣傳感器節點才能根據 CN探測到的信道發送數據。CN擁有比SN更強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備，這樣CN可以不斷地收集能量，延長網絡的生命周期。

假定部署的CRSN可以機會利用多個授權信道，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?；谝欢ǖ哪芰渴占俾剩ㄟ^調整CN和SN的部署比例可以達到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[13]中所提到的模型，發送k bit消息的能耗為：

接收k bit消息的能耗為：

其中，elecE 是發射或接收每比特信息所消耗的能量，fsE 與mpE 為節點發射放大電路在單位面積內傳播每比特信號所消耗的能量，0d為一個門限距離，當節點間的距離<0d時，使用自由空間模型；當節點間的距離>0d時，使用多路徑衰減模型。

3 基于HT-CRSN的MAC協議

HT-CRSN與傳統的CRSN不同，它的兩類異質節點的能量和性能完全不一樣，承擔完全不同的工作任務，因而需要兩類節點協調工作才能完成通信任務。因此，為了使兩類完全不同的、分離的異質節點緊密結合、相互協調地工作，需要設計一個適合異質節點分離的傳感器網絡的工作時序以及一系列的MAC協議控制其工作。

3.1 網絡初始化及分組階段

在網絡初始化階段，匯聚（sink）節點首先向網絡中的CN廣播自己的位置坐標信息。所有CN和SN根據相應的定位算法計算自己的位置坐標?；诂F有的鄰居發現算法[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。因此網絡能夠根據鄰近節點的位置信息進行分組。

（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點是簡單，也不輪動，因而基本沒有開銷。然而，這種分組導致節點能耗無法均衡，靠近sink節點的CN以及距離CN較遠的SN節點首先死亡（靠近sink節點的CN由于要負責數據轉發，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組繼續工作，距離CN較遠的SN死亡并不會影響組內工作。因此這并不是一種最優的分組方案。但是本文重點在于研究異質節點下，網絡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（適合節點隨機部署的場景）

如果節點隨機部署，那么就有可能實現非均勻半徑的分組，用來平衡各CN間的能耗。CN距離sink節點越近，中轉數據次數越多，能耗也就越大。因此，離sink節點越近，其半徑越??；離sink節點越遠，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雜，所以并不是本文的最佳選擇。

3.2 數據傳輸階段

分組完成后，各節點依次按序進行工作，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協議。

圖2 HT-CRSN工作時序

（1）CN的頻譜感知和SN的數據采集

在分組中，CN作為組頭承擔頻譜感知、頻譜判決、分配信道、融合數據、中轉數據等功能，SN負責數據采集并發往組頭。而這些工作必須由兩類異質節點的協調配合才能有序完成。CN頻譜感知后進入頻譜判決及分配階段，而 SN數據采集完成后進入睡眠狀態以節省能量，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

在網絡初始化階段，基于鄰居發現算法，各CN可以獲知自己的鄰近節點。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議通知給鄰居節點。然而現有文獻中提出的廣播協議都是基于能量有效的 MAC協議，如B-MAC[25]、S-MAC[26]、T-MAC[27]、X-MAC[28]等。而在CRSN環境中，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，因此應該盡可能快速地將空閑頻譜信息廣播給鄰近節點。另外，現有的IEEE 802.11協議的CSMA/CA主要針對通用的點對點通信協議，顯然也無法適應多個節點同時需要發送廣播信息的場景，因此需要對HT-CRSN中的廣播MAC協議進行重新設計。

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點（初始化階段已經獲知）廣播RTS分組，并分配鄰近節點確認時隙。

步驟3 鄰近節點收到RTS分組后，凍結其計時器，并按照分配的時隙依次向發送節點發送CTS分組。

步驟 4 發送節點收到鄰近節點所有的確認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取決于發送節點可能發生碰撞的最大個數，一般取值為鄰近節點個數的最大值）后重發針對目的節點（即發生沖突沒有發送CTS的節點）的 RTS；如果發送節點收到目的節點發送給其他節點的 CTS，意味著二次競爭失敗，需要等待，直到接收到目的節點發送給其他發送節點的ACK后再次發送針對該目的節點（沖突節點）的RTS。

步驟 6 接收到廣播信息的節點依次發送ACK，并繼續啟動計時器；發送節點收齊ACK后，保持監聽狀態，直到鄰近節點的信息全收齊。

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

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點，這樣可以減少與主用戶沖突的概率，提高廣播通知的準確性。

（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廣播探測結果，各CN收到鄰近CN發來的探測結果后計算各信道的可信度。

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

另外，為了解決數據中轉階段動態的多信道環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點（避免產生信道干擾）。

（4）CN向組內SN廣播信道分配通知及發送/接收數據階段

在這個階段，CN首先調整發射功率，使其發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據信道時一些邊緣SN同時向CN發送數據，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據信道引起的共數據信道沖突），本部分組內廣播信息時也采用前文所屬的FBP，只是這里只有CN向組內SN發送通知，SN發送反饋。

圖4 可能的信道沖突

使用FBP的優點是可以錯開鄰近CN或者鄰近組可能的共信道沖突避免重發。具體 MAC協議如下。

? CN將發射功率調整到其發射范圍恰好覆蓋到本組范圍。

? 各CN運行FBP，CN向本組SN發送RTS。

? 接收到所有SN的CTS的CN發送本組分配的信道及時隙。

? 成功接收到各 CN發送的信道和時隙后，SN則立即廣播ACK。

? CN和SN收發機參數都切換到本組分配的數據信道。

? SN依次向CN發送數據。

? 接收到ACK的SN立即進入睡眠狀態。

? CN則進入數據融合階段。

（5）數據融合及中轉階段

CN對收到的組內數據進行融合，然后中轉發送到sink節點。由于不能由CN直接發送數據到sink節點，因此如何更好地選擇下一跳節點，是數據傳輸很重要的因素。

在傳統的 MAC協議中，節點在進行數據傳輸時，下一跳節點是確定的，即在 MAC層發送節點與下一跳節點進行信息交互后，再在路由層進行數據傳輸。本文對傳統的 MAC協議進行改進，下一跳節點不是固定的，即在 MAC層進行下一跳節點的選擇后，再由路由層進行數據分組的傳送。

在進行下一跳節點的選擇時，每一個發送節點都有一個競爭節點集（備選為下一跳節點的一個集合），競爭節點集由發送節點的鄰近節點構成（網絡初始化階段已經獲得），再將競爭節點集的每一個節點進行優先級排序，其中競爭節點集的排序主要依賴于3個因素：網絡傳遞率、最佳傳輸次數和節點的剩余功率。

假設A為發送節點，B為接收節點，設A發送數據分組的個數為y，B接收數據分組的個數為x，網絡傳遞率為 m，最佳傳輸次數為 n，m、n的計算如下：

在進行優先級排序時，主要依賴于一個排序指標V，其中，V的計算如下：

其中，θ為0～1之間的一個因子，iP為節點的剩余功率。

由此可見，V的值越大，節點的優先級順序越高；V的值越小，節點的優先級順序越低，將競爭節點集的優先級順序排列以后，按照優先級順序的高低即可進行數據的傳輸。

CN發送節點與競爭節點的信息交互過程如圖5所示。CN間的FRP具體如下。

? 在傳輸數據前，發送節點以及競爭節點集內的節點將接口切換到控制信道上。

? 發送節點向競爭節點廣播RTS，其中，RTS包括競爭節點集的優先級順序以及可用信道列表。

? 競爭節點接收到RTS后，獲知自己的優先級位置，并且結合自己的可用信道，選擇一個數據傳輸信道。

? 將選擇的信道附加到 CTS中回復發送節點（在回復CTS時高優先級節點優先回復，隔一段時間后，低優先級節點再進行回復）。

? 發送節點接收到CTS后，則等待進行數據的發送。

? 發送節點接收到CTS后，則獲得了下一跳競爭節點以及用于傳輸的信道（但是可能還有低優先級的節點等待回復CTS分組，因為等待時間長所以會有時延）。

? 發送節點廣播CTR分組（目的是告訴低優先級節點發送節點已經收到CTS，因此低優先級節點收到CTR后丟棄CTS）。

? 發送節點發送完CTR后，則與下一跳節點在已獲得的數據信道上進行數據傳輸，當發送節點收到ACK后則數據傳輸成功。

圖5 CN節點與競爭節點的信息交互過程

4 數值仿真及可行性分析

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

進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協議的支持下正常工作，進而證明這種新型網絡在實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，CN工作包括頻譜感知、空閑頻譜的廣播、組內分配信道廣播、接收數據、融合數據及中轉數據。而 SN的工作過程較簡單，包括數據采集及發送數據，因為節點能耗大部分在通信模塊，因而數據采集能耗忽略不計。

本部分計算分析CN和SN能耗的均衡性的目的是證明 HT-CRSN在所提協議支持下正常工作的可行性，因此在計算 CN能耗中，采用一種理想情況來計算能耗，如100%的探測準確率、FBP中節點監聽狀態時間忽略不計等。

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，并且受到環境影響。然而，本文主要關注能量在CN上的增加，故忽略其具體細節。以一輪（或一幀，下文不加區分使用）的時間周期來看，CN能量的增加可用式（5）近似：

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

假定CN與SN都均勻分布在監測區域（理想分布），因此可以認為每個CN都管轄一個正六角形的區域。為了便于計算，取其內切圓進行計算，如圖6所示。

圖6 場景理想分布

在圖6所示的監測區域內，每個CN監測區域的直徑為：

其中，R為監測區域半徑，CNN 為部署的CN的數量。

由圖6可以看出，在理想分布情況下，執行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點大約需要發送14（實際為13+x）個分組，接收24（實際為18+y）個分組（如圖3所示）。因此，執行FBP時每個CN平均所消耗的能量為（不考慮重發情況）：

其中，Lsignal為信令分組長度。

基于FBP的組內廣播CN平均消耗的能量為：

組內CN接收數據平均消耗的能量為：

融合數據消耗的能量為：

其中，Ldata為融合數據的總比特數，Efuse為融合每比特數據消耗的能量。

監測區域數據分組最大中轉次數為：

平均中轉次數為：

每個數據分組中轉平均消耗能量為：

每組或者每個CN一輪中平均消耗能量為：

其中，每個CN一輪中執行兩次FBP。

SN在一輪中平均消耗能量為：

數值仿真參數值見表2。

表2 數值仿真參數值

CN個數與節點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（即節點的能耗均衡性）隨著CN個數的增加先下降到0然后再增加。也就是說，通過調整CN和SN個數比例，CN和SN的能耗總能獲得均衡（即兩類異質節點的生命周期相等）。同時也可以看出，隨著CN能量收集速率的增加，能耗均衡點所需要的CN個數在減小，這意味著部署成本下降，額外開銷減小。

圖7 CN個數與節點能耗均衡性對比

單位 CN網絡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，這是因為隨著能量收集速率的增加，網絡中節點的能量也會隨之增加，這樣就可以平衡認知功能所帶來的額外能耗，提高網絡的生命周期。

圖8 單位CN網絡生命周期與能量收集速率對比

α= 0時CN個數與節點能耗均衡性對比如圖9所示。當 α= 0時，即CN沒有能量收集能力的節點時，通過調整 CN的初始能量和數量也能夠獲得能耗均衡。其中，當 ECN= 25.5 J時，因為初始能量較低，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的網絡生命周期取決于CN的初始能量。不同CN初始能量的網絡生命周期（ α= 0）如圖10所示，隨著CN初始能量的增加，網絡生命周期遞增。然而，單位節點所能提供的網絡生命周期卻急劇下降，因此可以認為，依靠增加CN的初始能量來提高網絡生命周期效率很低，這意味著成本的上升，如圖11所示。

圖9 0α= 時CN個數與節點能耗均衡性對比

圖10 不同CN初始能量的網絡生命周期（ 0α= ）

圖11 不同CN初始能量的單位CN網絡生命周期（ 0α= ）

4.2 網絡開銷

與傳統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WSN和CRSN，HT-CRSN開銷較大，并且隨著CN數量的增加而增加。然而，這些開銷大部分是在執行FBP時所產生的，也就是說，這些開銷大部分是在公共控制信道上所產生，對后面利用探測出來的數據信道進行數據傳輸并沒有影響。

4.3 平均時延及吞吐量

網絡中的數據到達sink節點的時延主要由式（16）確定：

其中，senset 為CN感知時間，FBPt 為執行FBP所需時間，recet 為數據匯聚時間，FRPt 為執行FRP所需平均時間。

tsense對于不同的 CN來說是固定不變的（具體時間取決于網絡所能容忍的的探測正確率），而tFBP隨著CN數量的增加基本保持不變，tFRP因為中轉次數增多而隨著CN個數的增加而大幅增加，trece因為隨著 CN數量增加每組數量減小而略微減小，總體上，平均時延隨著 CN數量增加而增加。因此，在有時延要求的場景下，有必要控制CN的數量。

HT-CRSN的吞吐量取決于CN的數量和可用帶寬。因為 CN能夠探測到多個信道用來傳輸數據，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絡中所能產生的數據分組個數即CN個數，CN越多，在一幀/輪時間內傳輸的數據也越多。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，部署網絡時應該盡可能減小 CN部署數量，減小部署成本，而同時又需要保證CN和SN間的能耗平衡，盡可能地延長網絡生命周期。

5 結束語

基于現有 CRSN中認知功能帶來的額外能耗和處理要求與傳感器節點固有的資源約束的矛盾以及認知功能導致的 CRSN高成本實現與其低成本實現要求的矛盾，提出了一種基于認知功能和傳感器節點相分離的 CRSN，即HT-CRSN，并為這種新型網絡設計了一個工作時序及其一系列可行性的MAC協議?；谒峋W絡以及協議，通過仿真發現，通過調整CN的能量收集速率或數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絡生命周期。HT-CRSN的部署比例應該重點考慮網絡生命周期和部署成本兩項指標，一方面應該盡可能地減小部署成本，即減小CN的部署數量，另一方面又必須保證CN和SN間的能耗平衡，盡可能地延長網絡生命周期。

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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，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為認知無線電網絡。

裴二榮（1976?），男，博士，重慶郵電大學副教授、碩士生導師，主要研究方向為認知無線電網絡及5G通信。

黃佑林（1993?），男，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為認知無線電網絡。

2017?01?22；

2017?07?07

國家自然科學基金資助項目（No.61379159）；重慶市基礎和前沿項目（No.CSTC2013jcyjA40020）