[论文解读] An Energy Efficient Spectrum Sensing in Cognitive Radio Wireless Sensor Networks

Atchutananda Surampudi, Krishnamoorthy Kalimuthu|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2017

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 9被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种认知无线电无线传感器网络（CR-WSNs）的节能路由协议，采用普里姆算法（Prim’s algorithm）构建最小生成树（MST），用于簇头之间的通信，通过优化从簇头到融合中心的路径，降低能量消耗。与LEACH相比，该方法在1,500轮后使网络寿命提升1.4倍，存活节点数量增加7倍，且均匀聚类在能效方面优于非均匀聚类。

ABSTRACT

The cognitive radio wireless sensor networks have become an integral part of communicating spectrum information to the fusion center, in a cooperative spectrum sensing environment. A group of battery operated sensors or nodes, sensing information about spectrum availability in the radio links, needs an energy efficient strategy to pass on the binary information. A proper routing method through intelligent decision making can be a good solution. In this paper, an energy efficient routing protocol has been introduced and a performance comparison is made with the existing system in terms of its energy consumption. The proposed routing technique considers both uniform and non-uniform clustering strategies and proves to be an energy efficient method of communication.

研究动机与目标

• 为解决认知无线电无线传感器网络（CR-WSNs）中分层聚类协议（如LEACH）在频谱感知通信中能耗过高的问题。
• 通过优化簇头（CHs）到融合中心（FC）的数据传输路径，降低其能量消耗。
• 通过最小化CR-WSN环境中冗余或高能耗的传输，提升网络寿命和可扩展性。
• 评估均匀与非均匀聚类策略在节能数据转发中的性能表现。

提出的方法

• 使用普里姆算法从选中的簇头（CHs）到融合中心（FC）构建最小生成树（MST），以最小化总传输能量。
• 基于簇头与融合中心之间的笛卡尔距离构建邻接矩阵，以距离作为MST构建的度量标准。
• 每个簇头维护一个感知表，存储所有其他簇头的单比特频谱感知结果，实现M比特数据传输，而非每个簇头单独传输单比特。
• 使用能量模型计算传输成本 $ C $：传输能量为 $ E_t = E_e M + E_a eta d $，接收能量为 $ E_r = E_e M $，其中 $ E_e $、$ E_a $ 和 $ eta $ 为能量常数。
• 在普里姆算法中采用贪心的逐步方法：每一步添加一条连接当前生成树中节点与不在树中的节点的最小权重边。
• 比较均匀聚类（固定10个簇）与非均匀聚类策略下的性能，以评估能效表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 与LEACH中的直接传输相比，基于MST的路由结合普里姆算法在CR-WSN中如何降低能量消耗？
• RQ2 均匀聚类与非均匀聚类对CR-WSN网络能效和寿命有何影响？
• RQ3 与传统LEACH协议相比，所提出的协议在多大程度上延长了网络的运行寿命？
• RQ4 感知表的使用与M比特数据聚合如何提升能效并减少网络拥塞？

主要发现

• 在运行1,500轮后，所提协议相比LEACH，网络能效提高了1.4倍。
• 在1,500轮后，采用均匀聚类的所提协议的网络剩余能量比非均匀聚类高出27%。
• 在1,500轮后，采用均匀聚类的所提协议中存活传感器节点数量是传统LEACH协议的7倍。
• 基于MST的路由显著降低了能量消耗，避免了远距离簇头向融合中心进行高能耗的直接传输。
• 所提方法通过共享感知表使所有簇头和融合中心能够完整掌握频谱可用性，确保网络收敛。
• 该协议通过仅允许距离融合中心最近的簇头进行数据传输，有效缓解了信道拥塞，减少了冗余传输。