無線認(rèn)知電傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

郎為民(1.解放軍通信指揮學(xué)院，湖北 武漢 430010；2.華中科技大學(xué)電子與信息工程系，湖北 武漢 430074)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量低成本、低功耗，具有感知、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息并對(duì)其進(jìn)行處理，傳送到需要這些信息的用戶。WSN作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

一方面，現(xiàn)有的WSN都工作在無需授權(quán)的公用頻段，這些公用頻段正隨著各種新的無線通信技術(shù)的興起而日益擁擠。公用頻段的異構(gòu)無線系統(tǒng)共存問題已成為制約WSN發(fā)展的瓶頸。另一方面，傳統(tǒng)的WSN所用頻譜是固定分配的，且對(duì)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)來說，通信和處理資源相當(dāng)有限，因而在一些特定的頻譜資源使用較為緊張的環(huán)境(如戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)將很難正常工作。為解決這個(gè)問題，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入的無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)(WCSN)應(yīng)運(yùn)而生。

WCSN[1-8]可以定義為“無線認(rèn)知無線電傳感器節(jié)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)”。它建立在傳統(tǒng)WSN的基礎(chǔ)上，通過賦予無線傳感器節(jié)點(diǎn)頻譜感知、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)調(diào)整等功能，使其成為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)。其工作過程為:認(rèn)知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)交互控制數(shù)據(jù)、頻譜分配信息和路由信息等，之后認(rèn)知節(jié)點(diǎn)感知事件信號(hào)，并在可用頻段上以協(xié)同方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知信息的交互，多跳上傳感知結(jié)果給匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)完成收集認(rèn)知信息，進(jìn)行頻譜決策和傳輸控制。通過在WSN中實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電技術(shù)，WCSN不但能夠緩解公用頻段的擁擠狀況，而且能夠在降低WSN工作頻率后拓展節(jié)點(diǎn)的單跳覆蓋區(qū)域，從而大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 WCSN體系結(jié)構(gòu)

WCSN的典型體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。它通常由基站、主用戶、無線認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。主用戶在授權(quán)頻段與基站建立連接，無線認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)則以機(jī)會(huì)方式實(shí)現(xiàn)頻譜接入。根據(jù)頻譜可用情況，傳感器節(jié)點(diǎn)以機(jī)會(huì)方式將信息傳送到下一跳，最終傳輸?shù)骄哂姓J(rèn)知無線電能力的匯聚節(jié)點(diǎn)。除了事件信息之外，無線認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)還可以與匯聚節(jié)點(diǎn)交換其他信息，包括群形成的控制數(shù)據(jù)、頻譜分配、頻譜已知的路由決策信息，這些信息通常與特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖1 WCSN體系結(jié)構(gòu)

1.1 WCSN節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

典型的WCSN節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)相比，它增加了1個(gè)認(rèn)知無線電收發(fā)器模塊，該模塊支持無線傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整載波頻率、傳輸功率和調(diào)制方式等通信參數(shù)。同時(shí)，WCSN節(jié)點(diǎn)也繼承了傳統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)，如計(jì)算速度、電源能量、通信能力和存儲(chǔ)空間非常有限，這也限制了認(rèn)知無線電部分功能在WSN中的發(fā)揮。

1.2 WCSN的優(yōu)勢(shì)

認(rèn)知無線電技術(shù)在WSN中的應(yīng)用，使得WCSN具備了諸多傳統(tǒng)WSN所不具備的優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 動(dòng)態(tài)頻譜接入

當(dāng)前WSN部署采用的是固定頻譜分配方法，且大多使用擁擠的未授權(quán)頻段，這些頻段同樣也被其他設(shè)備所使用。同時(shí)，若采取租借授權(quán)頻段的頻譜，則會(huì)大大提高系統(tǒng)總體部署成本。WCSN通過采用機(jī)會(huì)頻譜接入方法，可以實(shí)現(xiàn)與其他授權(quán)用戶高效共享授權(quán)頻譜，同時(shí)大大提高了頻譜利用效率。

圖2 無WCSN節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

1.2.2 多種并發(fā)WSN的重疊部署

WCSN實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)頻譜管理功能，它有利于空間上重疊的多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)高效共存。這樣既優(yōu)化了通信性能，又提高了資源利用率。

1.2.3 功耗自適應(yīng)降低

無線信道的動(dòng)態(tài)特性會(huì)造成功率消耗，這主要是由丟包和重傳造成的。支持認(rèn)知無線電功能的傳感器節(jié)點(diǎn)可以自適應(yīng)可變信道狀態(tài)，提高傳輸效率，因而有助于降低用于傳輸和接收的功率。

1.2.4 有效解決猝發(fā)流量導(dǎo)致的問題

在傳統(tǒng)的WSN中，當(dāng)大量傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到某個(gè)事件信息會(huì)生成猝發(fā)流量，并通過獲取信道來傳送這些信息。這勢(shì)必會(huì)增加碰撞和分組丟失的概率，降低整體通信可靠性，提高通信過程中的功率消耗。WCSN由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)信道的機(jī)會(huì)接入，可以有效地解決這一問題。

1.2.5 不同頻譜策略下的通信

不同的國(guó)家或地區(qū)，其頻譜管理制度不盡相同。在某個(gè)國(guó)家或地區(qū)可用的頻段，在其他國(guó)家或地區(qū)可能會(huì)被禁用。具有認(rèn)知無線電能力的WCSN可以有效地克服這些潛在的問題。

2 WCSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用需求，WCSN可采用Ad Hoc式、分簇式、異構(gòu)分級(jí)式和移動(dòng)式4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1 Ad Hoc式WCSN

Ad Hoc式WCSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)認(rèn)知無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍非常有限，路由一般都由多跳組成，數(shù)據(jù)通過多個(gè)認(rèn)知無線傳感器節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，才能將信息傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。這種拓?fù)鋵?duì)通信開銷和控制數(shù)據(jù)要求較低。但因潛在的終端問題，頻譜感知結(jié)果準(zhǔn)確度不高。

圖3 Ad Hoc式WCSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 分簇式WCSN

在WCSN中，通常需要為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配1個(gè)公共控制信道，用于傳輸各種控制數(shù)據(jù)(如頻譜感知結(jié)果、頻譜分配數(shù)據(jù)、鄰居發(fā)現(xiàn)和維護(hù)信息)。在整個(gè)WCSN范圍內(nèi)為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)公共控制信道是不現(xiàn)實(shí)的，但在某個(gè)特定區(qū)域卻是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，要實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)態(tài)的頻譜管理和公共控制信道分配，分簇式WCSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種比較理想的選擇，如圖4所示。

圖4 分簇式WCSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 異構(gòu)分級(jí)式WCSN

WCSN體系結(jié)構(gòu)中可以包含具有高效能源或可再生能源的特定反應(yīng)器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的通信能力、存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力比較強(qiáng)，能夠協(xié)助WCSN完成一些復(fù)雜的感知數(shù)據(jù)處理工作，還可以承擔(dān)一些其他任務(wù)(如本地頻譜拍賣)。這些反應(yīng)器節(jié)點(diǎn)具有較寬的傳輸范圍，可用作中繼節(jié)點(diǎn)，它們與其他無線認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)一起，形成了一種異構(gòu)和分級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種WCSN中，既包含普通WCSN節(jié)點(diǎn)，又包含了高功率中繼節(jié)點(diǎn)(反應(yīng)器)，還包含了匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 異構(gòu)分級(jí)式WCSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4 移動(dòng)式WCSN

如果構(gòu)成WCSN的各種設(shè)備具備自由移動(dòng)功能，則網(wǎng)絡(luò)將會(huì)形成一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)它面臨的挑戰(zhàn)性問題將會(huì)更多、更復(fù)雜。它要求資源受限的WCSN節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)性已知的動(dòng)態(tài)頻譜管理方案，且在設(shè)計(jì)認(rèn)知無線電通信協(xié)議時(shí)，也要充分考慮到無線認(rèn)知傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。

3 WCSN的應(yīng)用領(lǐng)域

由于WCSN引入了認(rèn)知無線電技術(shù)，因而具備了傳統(tǒng)WSN所無法比擬的優(yōu)勢(shì)，它是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮慕鉀Q方案，未來將在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和部署。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)視應(yīng)用

在實(shí)時(shí)監(jiān)視應(yīng)用(如目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤)中，通常要求信道接入和通信時(shí)延最小化。在傳統(tǒng)的WSN中，由于工作頻段過于擁擠，導(dǎo)致這一目標(biāo)事實(shí)上難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，當(dāng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行路由時(shí)，通信鏈路發(fā)生故障、控制信道狀態(tài)惡化也會(huì)產(chǎn)生時(shí)延。

對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)視應(yīng)用來說，WCSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠以機(jī)會(huì)方式接入可用信道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接入和端到端時(shí)延最小化。隨著WCSN中新型時(shí)延敏感協(xié)同頻譜感知、分配和路由算法的出現(xiàn)，實(shí)時(shí)感知應(yīng)用的性能還可以進(jìn)一步優(yōu)化。此外，通過使用頻譜切換功能，用于戰(zhàn)術(shù)監(jiān)控的WCSN不易受到截獲和干擾的威脅。

3.2 多媒體應(yīng)用

對(duì)于資源受限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)來說，由于多媒體對(duì)帶寬的要求相當(dāng)高，當(dāng)信道狀態(tài)不斷發(fā)生變化時(shí)，使得以多媒體形式傳輸?shù)氖录卣骺煽啃院图皶r(shí)性受到一定限制。WCSN為傳感器節(jié)點(diǎn)提供了一定自由度，它能夠根據(jù)環(huán)境條件以及與應(yīng)用有關(guān)的QoS要求(包括帶寬、誤碼率、接入時(shí)延)，動(dòng)態(tài)地改變接入信道。例如，當(dāng)分組通過多跳進(jìn)行傳輸時(shí)，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)盡可能使用較高頻率和數(shù)據(jù)速率，來提供所需的帶寬。

3.3 室內(nèi)感知應(yīng)用

室內(nèi)感知應(yīng)用包括遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭監(jiān)控、應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)、工廠自動(dòng)化等，通常需要在較小區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)一般使用未授權(quán)頻段，如工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段，這些頻段是相當(dāng)擁擠的。當(dāng)丟包、碰撞和競(jìng)爭(zhēng)時(shí)延存在時(shí)，要實(shí)現(xiàn)高效可靠的通信就面臨著諸多挑戰(zhàn)性。WCSN由于實(shí)現(xiàn)了機(jī)會(huì)頻譜接入，因而很好地解決了這一難題。即使是在頻譜資源緊張和用頻設(shè)備擁擠的環(huán)境中，WCSN通過利用動(dòng)態(tài)頻譜管理的潛在優(yōu)勢(shì)，也能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息的可靠傳輸。

3.4 多級(jí)異構(gòu)感知應(yīng)用

在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)WSN共存于同一區(qū)域的情況。由這些WSN節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過融合，可以為單項(xiàng)決策提供信息支持。同樣，在單個(gè)WSN中，不同傳感器節(jié)點(diǎn)可能部署在同一區(qū)域，對(duì)事件信號(hào)在多維空間內(nèi)進(jìn)行抽樣，并采集被監(jiān)控目標(biāo)的音視頻信息。由于WCSN實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)頻譜管理功能，因而多級(jí)異構(gòu)WSN可以進(jìn)行重疊部署，并做到相互干擾最小。同時(shí)，通過多個(gè)WCSN之間的合作和協(xié)調(diào)頻譜管理，可以提高單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的性能，提升頻譜資源的整體利用率。

3.5 無線應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)

公共安全和應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)是WCSN可以應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害(如地震、洪水、雪災(zāi)等)，可能會(huì)對(duì)原有的通信基礎(chǔ)設(shè)施造成毀滅性的破壞。通常需要在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)部署多個(gè)應(yīng)急無線網(wǎng)絡(luò)(包括WSN)，此時(shí)各種通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)大量云集在狹小地域，必然造成頻譜資源使用上的混亂。WCSN利用認(rèn)知無線電的自我感知和自我協(xié)調(diào)能力，能夠在緊急情況下，充分利用空閑的授權(quán)用戶頻譜資源，可靠地保障應(yīng)急通信需要。

3.6 軍事信息網(wǎng)絡(luò)

認(rèn)知無線電技術(shù)的自我感知和自我調(diào)整的特點(diǎn)，使得WCSN能夠自適應(yīng)地選擇頻譜，較好地適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的安全傳輸，因而具有極高的軍事應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，WCSN和現(xiàn)有的軍事無線通信系統(tǒng)共存，避免對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)的干擾，這一特性使得WCSN的快速部署成為可能。

4 結(jié)論

通過研究WCSN問題，可以為當(dāng)前WCSN的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作做出貢獻(xiàn)，這對(duì)于WCSN的成功實(shí)現(xiàn)和廣泛部署是非常關(guān)鍵的。隨著無線網(wǎng)絡(luò)高速化、寬帶化、異構(gòu)化、泛在化趨勢(shì)的加劇，預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)，將出現(xiàn)同一區(qū)域內(nèi)多個(gè)不同應(yīng)用目標(biāo)WCSN與現(xiàn)有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)共存現(xiàn)象。由于頻譜資源的緊缺，這些共存的網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的頻譜資源競(jìng)爭(zhēng)，因而適時(shí)開展多級(jí)異構(gòu)WCSN關(guān)鍵技術(shù)的研究是非常必要的。

[1]Ozgur B Akan，Osman B Karli,Ozgur Ergul.Cognitive radio sensor networks[J].IEEE Network，2009，23(4):34-40.

[2]Chung-Hsien Kuo，Ting-Shuo Chen.PN-WSNA:an approach for reconfigurable cognitive sensor network implementations [J].IEEE Sensors Journal，2011，11(2): 319-334.

[3]Liang Zhongliang，F(xiàn)eng Shan，Zhao Dongmei，et al.Delay performance analysis for supporting real-time traffic in a cognitive radio sensor network [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，10(1):325-335.

[4]Chowdhury K R，Akyldiz I F.OFDM-based common control channel design for cognitive radio ad hoc networks [J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2011，10(2): 228-238.

[5]Rong-Rong Chen，Koon Hoo Teo，Behrouz Farhang-Boroujeny.Random access protocols for collaborative spectrum sensing in multi-band cognitive radio networks [J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,2011，5(1): 124-136.

[6]韓寒，吳啟暉，王金龍.等.認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中快速頻譜機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)的研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(9):129-131.

[7]胡富平，王殊，劉威.等.衰落信道下認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)頻譜檢測(cè)方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2010，32(3):7-10.

[8]胡富平，王殊.認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中的魯棒性協(xié)作頻譜檢測(cè)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版，2010，34(3):510-513.