CRSN是一种能够感知无线电的传感器网络

来源:华文易迅 时间:2022-09-15 09:00:00

由于无线终端数量的迅速增长，以及对多媒体图像等高带宽业务需求的不断增加，农业物联网相关领域的无线频谱资源短缺是必然趋势。在基于传统物联网的农作物表型信息采集系统中，由于节点密集部署而造成数据传输过程易发生频谱竞争、数据拥挤现象和因能量不平衡而导致固定电池网络监测周期缩减等诸多问题，在此基础上，建立了一种基于感知的无线传感器网络作物表型信息收集模型，并针对该模型提出了一种事件驱动的分簇路由算法，并引入了边缘计算机制。该方法主要有：(1)动态频谱感知分簇，采用分层聚类算法，将由频谱感知获得的可用信道、节点之间的距离、剩余能量以及邻居节点度等作为相似性对被监控区域中的节点进行聚类分簇，并选择簇头。构造集群拓扑结构的过程引入了奖惩因子，提高了网络中各个分簇的平均频谱利用率；(2)融合边缘计算的事件触发数据路由，基于所构造的群集拓扑结构，将待检测异常表型信息触发事件以簇内汇聚和簇间中继交替迭代方式转发到汇聚节点，集群内的汇聚包括直传和簇内中继，簇间中继包括主网关结点和次网关节点—主网关节点；(3)基于频谱变化和通信服务质量的自适应再分簇：可利用的信道更改，基于主用户行为的变化，或者，由于群集效应的影响，导致CRSN自适应地重新分簇，从而影响通信服务质量。另外，本文还提出了一种新的耗能平衡策略，即：在以sink为中心的情况下，引入一个权系数，将权系数与节点到sink的距离成正比，选择网关或簇头节点的计算式。实验结果表明，相对于采用K-medoid分簇和感知能量的事件驱动分簇(ERP)路由方案，以CRSN节点数目为定值，利用DSEB实现的分簇路由算法在网络生命周期和能源效率上都有了一定的提高；当主用户节点数为定值时，该算法的频谱利用率明显提高。

在基于精确农事信息获取前提下，无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)有着重要的应用。把WSNs技术应用于需要高通量数据传输的作物表型信息采集系统，解决了人工监测费用高、周期长、规模和数据量大、远程监控困难等问题。2017年，来自法国国家农业研究所的弗兰科斯·塔迪奥和诺丁汉大学的马尔科姆·本内特合作提出了把感知数据转换成有意义的生物学知识的多层表型研究概念。但是，这类作物表现系统需要密集部署的传感器节点来完成大量的图像和传感器数据采集[2、3]，而且由于节点部署过于密集，农业物联网相关领域在传输过程中已逐渐呈现出无线频谱资源短缺的趋势。一是在各节点相对密集的作物环境中，对作物的生长和发育形态进行监测，而非授权频谱的使用，以工业、科学和医疗频段为典型代表，则会发生拥挤；有些具有较好传输特性的低频授权频带则利用率不高[6-8]。为实现这一目标，Mitola在1999年提出了认知无线电(CR)的概念，以解决频谱使用不均现象[9]。融合认知无线电技术的传感器网络被称为认知无线传感器网络(CRSN)(CognitiveRadioSensorNetworks)[10]。

CRSN是一种能够感知无线电的传感器网络，同时也是一种能够了解自己所处的环境，结合从环境中获得的信息来调节通讯的智能网络。据了解，无线自组织网络Zigbee节点、非授权用户如Wi-Fi和蓝牙以非授权频段进行通信；CRSN节点(未经授权或二级用户)具有识别无线电的特性，打破了长期以来采用的静态频谱分配策略，提出未经授权用户除非授权频段作为通信介质外，还可以通过频谱感知获得授权或主用户不使用的闲置授权频谱；CRSN节点能够随机性地利用这些空闲通道来进行传输，而不影响主用户通信。

在能量限制和实时性要求上，CRSN节点在去除频谱感知时需要消耗一部分能量外，其主要能源也像WSNs一样，是通过节点进行数据转发通信而产生的。由于监测网络中的路由决定数据转发的路径，因此路由选择对于提供可靠的通信服务至关重要。本文以大型CRSN数据为研究对象，应用于农作物表型信息采集的大规模CRSN分簇多跳路径，体现在认知无线电动态频谱接入特性的基础上，对WSNs路由的特性进行选择，并根据环境的动态变化对其进行选择。同时，作物表型平台是一种除监测作物生长和发育形态外，还能提供高分辨率、高频率等通量表型检测的物联网植物表型平台[3]，由于使用时间长、数据传输量大和采集终端密集部署给无线传输的频谱带宽要求带来了严峻的挑战，因此基于认知无线电技术的作物表型信息采集系统要求采用新的介质访问控制，支持分布式频谱共享。MAC)协议和路由协议，以此方式持续将数据多跳转发到汇聚节点sink[11]。“多跳”的优点是：与那些有较少跳数但有较长距离跳跳的路由相比，跳跃次数多、跳距多的路径更节能，所以群组的想法鼓励传感器节点以多跳方式进行通信，从而延长CRSN网络的生存时间。在高密度的情况下，也能有效地克服阴影和路径损失的影响[12]。CRSN多跳分簇网络体系结构中的分簇路由问题涉及到分簇拓扑控制，涉及信道、下一跳节点、簇头、网关节点、调度方式等选择将对农业物联网认知的多个性能指标产生重大影响，包括监测周期、能耗、实时性、连接和频谱利用率等[13]。另外，采用分簇拓扑结构可以解决平面结构数据拥挤、能源消耗高等问题，适合于实际生产环境。所以，CRSN分簇多跳路由算法逐渐受到人们的重视[14]。