[发明专利]一种基于认知无线传感器网络的分簇路由方法

说明书

本发明涉及无线通信技术，为基于认知无线传感器网络的分簇路由方法，包括步骤：动态频谱感知分簇，采用层次聚类算法结合频谱感知获取的可用信道和节点间的距离对认知无线传感器网络范围内的节点进行聚类分簇，构建分簇拓扑结构；事件触发数据路由，根据所构建的分簇拓扑结构，将认知无线传感器网络各个区域触发的数据以簇内汇聚和簇间中继交替迭代的方式转发至汇聚节点；基于频谱变化和通信服务质量的自适应重新分簇：基于主用户PU行为变化引起的可用信道改变，或分簇效果不佳对通信服务质量产生的干扰，触发认知无线传感器网络进行自适应重新分簇。本发明在延长网络监控周期的同时，也可有效提升网络的频谱利用率和能量效率。

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体为基于认知无线传感器网络的分簇路由方法。

背景技术

随着移动无线通信技术的快速更新换代，接入网络的设备正以海量级的速度增长。传统的“静态条块分割”策略使得授权与非授权频谱使用极度不均衡，频谱资源的使用情况日益严峻。认知无线电(Cognitive Radio，CR)的问世为解决人满为患的ISM(工业、科学和医疗)非授权频段提供了新的思路。

同时，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)随着近几十年的发展，在环境监测、感知等领域发挥着越来越重要的作用。为了应对频谱资源稀缺的挑战，传统的无线传感器网络正借助认知无线电技术的高效频谱利用的优势，逐步向认知无线传感器网络(cognitive radio sensor networks，CRSN)过渡。

认知无线传感器网络是一种具有感知无线电功能的传感器网络，同时也是一种可以理解自身所处环境并结合从环境获取的信息来调整通信的智能网络。CRSN节点(未授权或二级用户(Secondary User，SU))通过频谱感知来获取主用户(Primarily User，PU)未使用的空闲频谱。在不干扰PU通信的前提下，CRSN节点可以伺机使用这些空闲信道进行传输。

生产环境的多样性要求必须具有复杂、异构的网络才能满足其实时监测的需求。复杂网络中数据通信又必须依赖高效、全面的路由协议，才能为其从多条路径中选择一条“性价比”最高的路径。在频谱资源稀缺地区，采用基于认知无线传感器网络进行环境监控已成为难题。分簇的拓扑结构可以解决平面结构的数据拥堵、能耗大等问题，在实际生产环境中较为适用。因此，CRSN分簇路由算法逐渐成为近年的研究热点。

发明内容

针对频谱资源稀缺地区的环境监控问题，本发明提出一种基于认知无线传感器网络的分簇路由方法，在延长网络监控周期的同时，也可有效提升网络的频谱利用率和能量效率。

本发明所采用的技术方案为：一种基于认知无线传感器网络的分簇路由方法，包括以下步骤：

S1、动态频谱感知分簇，采用层次聚类算法结合频谱感知获取的可用信道和节点间的距离对认知无线传感器网络范围内的节点进行聚类分簇，构建分簇拓扑结构；

S2、事件触发数据路由，根据步骤S1构建的分簇拓扑结构，将认知无线传感器网络各个区域触发的数据以簇内汇聚和簇间中继交替迭代的方式转发至汇聚节点；

S3、基于频谱变化和通信服务质量的自适应重新分簇：基于主用户PU行为变化引起的可用信道改变，或分簇效果不佳对通信服务质量产生的干扰，触发认知无线传感器网络进行自适应重新分簇。

优选地，步骤S1包括以下步骤：

S1.1、分簇构建的起始与结束：从检测到第一个事件开始，源节点通过广播消息启动认知无线传感器网络的聚类过程直至分簇构建完成，将分簇数融合至最优簇数；

S1.2、邻居分簇对合并形成分簇：在簇数达到最优簇数之前，每轮迭代都伴随着分簇间距离、通信能耗以及所有分簇相邻簇权重矩阵的更新；每轮迭代每个分簇都向自己的邻居分簇发送合并请求，但只有权重最大的邻居分簇回复同意合并请求，只有相互为最大权重的邻居分簇对才进行合并。