面向電磁頻譜監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

趙賓華 楊國瑞

摘要：無線電頻譜資源是一種有限的、重要的國家戰(zhàn)略性資源。在通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度發(fā)展的今天，人類對無線頻譜資源的需求急劇膨脹，為保證頻率資源的合理利用，有效地進行電磁頻譜監(jiān)測成為國家重要的研究課題。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行頻譜監(jiān)測是該技術(shù)一個重要研究熱點。在闡述電磁頻譜監(jiān)測現(xiàn)狀和電磁頻譜監(jiān)測意義的基礎(chǔ)上，提出面向電磁頻譜監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)和協(xié)議體系，闡述了各層的功能并對路由和協(xié)議進行了重點描述；介紹了節(jié)點功能的實現(xiàn)思路，闡述了硬件和軟件的實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：電磁頻譜監(jiān)測；分布式頻譜監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；頻譜感知

中圖分類號：TN212文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）15-54-4

0引言

電磁頻譜是電磁空間的重要資源，科技與社會的發(fā)展促進了無線射頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人為的電磁信號發(fā)射使得電磁空間變得擁擠和復(fù)雜[1]，如何對頻譜信號進行靈活和有效的監(jiān)管是困擾運營商的難題。在軍事應(yīng)用中，從如何避免多種裝備電磁相互干擾和頻譜重疊出發(fā)，進而到抵御外軍的電磁頻譜監(jiān)測攻擊和電磁殺傷[2]等，都對空間信號監(jiān)控提出了新的需求。傳統(tǒng)的無線電頻譜監(jiān)測多為單點式或集中式的臺站監(jiān)測，這些部署方式與電磁空間寬廣的屬性不一致，使其在應(yīng)用上受到很大局限。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行電磁頻譜信號的分布式監(jiān)測的應(yīng)用模式應(yīng)運而生，頻譜信號監(jiān)測正在逐漸向基于低成本傳感器協(xié)作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的區(qū)域性頻譜綜合監(jiān)測的方向演進[3-4]。

ZigBee協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無線通信技術(shù)，最大組網(wǎng)規(guī)模用戶數(shù)可達65 536個，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模組網(wǎng)的最佳選擇，ZigBee工作于868 MHz，915 MHz，2.4 GHz三個頻段，傳輸速率為10～250 KB/s，傳輸距離為10～75 m，ZigBee協(xié)議架構(gòu)緊湊簡單，實現(xiàn)要求低[5-7]；WiFi是一種小范圍無線傳輸技術(shù)，可以支持幾百米范圍內(nèi)的無線信號接入，具備傳輸速率高和覆蓋范圍廣的優(yōu)點，可以與ZigBee互為備份，確保傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的近距離通聯(lián)。但是，ZigBee和WiFi是近程無線傳輸技術(shù)，需要高可靠性和傳輸速率適當(dāng)?shù)倪h程通信手段，才能實現(xiàn)頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的大跨距傳輸。中國移動基于TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)建成國內(nèi)最大規(guī)模的4G移動通信網(wǎng)絡(luò)，提供了一個良好的遠距離無線傳輸平臺，ZigBee、WiFi與TD-LTE技術(shù)結(jié)合，能實現(xiàn)廣大地域內(nèi)頻譜監(jiān)測節(jié)點向頻譜監(jiān)測中心上報監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1傳感器網(wǎng)絡(luò)電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)采取分頻段監(jiān)測、分級匯總和告警上報相結(jié)合的工作模式，采用基于集中配置管理和處理的分級分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)總體構(gòu)架，分為電磁頻譜感知層、信息匯聚層和信息處理中心層3級，系統(tǒng)各節(jié)點配置不同的通信模塊，其中，電磁頻譜感知層節(jié)點配備ZigBee通信模塊，信息匯聚層節(jié)點配備WiFi和ZigBee通信模塊，信息處理中心層節(jié)點配備TD-LTE和WiFi通信模塊，采用感知無線電技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)點間電磁頻譜感知共存下的無線傳輸和組網(wǎng)，在系統(tǒng)完成頻譜監(jiān)測融合處理后，信息處理中心通過移動通信網(wǎng)絡(luò)TD-LTE上報頻譜監(jiān)測中心，系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

各層功能如下：

（1）電磁頻譜感知層

由各頻譜感知節(jié)點構(gòu)成，電磁頻譜感知節(jié)點設(shè)備負(fù)責(zé)信號的檢測、識別分類和特征提取。頻譜傳感器完成特定頻段信號的監(jiān)測，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作以滿足整個頻段的信號監(jiān)測要求。多個頻譜感知節(jié)點組成Ad Hoc的監(jiān)測子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)的感知節(jié)點可以通過ZigBee傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，頻譜感知節(jié)點完成信號監(jiān)測后，通過ZigBee將監(jiān)測結(jié)果傳送到信息匯聚節(jié)點。

（2）信息匯聚層

由多個傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點構(gòu)成，匯聚節(jié)點具有一定程度的信息處理和傳輸能力，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)頻譜上報數(shù)據(jù)的聚合和管理，完成各種應(yīng)用的實時處理、融合處理或存儲處理。信息匯聚層對上通過TD-LTE和WiFi接入信息中心，對下可通過ZigBee接入多種電磁感知節(jié)點，通過TD-LTE和WiFi保障監(jiān)測數(shù)據(jù)向信息中心傳輸。

（3）信息處理中心層

包括單個或多個信息處理中心節(jié)點，負(fù)責(zé)整個頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的配置管理，提供分布式數(shù)據(jù)聚合和信息融合的能力，支持協(xié)同信號識別分類、定位和跟蹤功能。信息中心節(jié)點通過TD-LTE和WiFi等方式與多個匯聚節(jié)點連接，通過有線或TD-LTE接入到頻譜監(jiān)測中心。系統(tǒng)可根據(jù)需要，由多個信息中心構(gòu)成分布式信息處理平臺，完成電磁頻譜監(jiān)測信息的查詢和發(fā)布。

2協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

協(xié)議體系可分為組網(wǎng)協(xié)議棧、資源管理控制協(xié)議、應(yīng)用服務(wù)協(xié)議和支撐服務(wù)等部分，如圖2所示，組網(wǎng)協(xié)議棧主要包括物理層、媒體接入層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸控制層，利用跨層信息的交互實現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能改善，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時或近實時的QoS高效傳輸；資源管理控制統(tǒng)籌考慮業(yè)務(wù)傳輸需求和網(wǎng)絡(luò)資源實際情況，實現(xiàn)上層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的最佳匹配，提供優(yōu)化的資源配置和管理功能；應(yīng)用服務(wù)協(xié)議主要面向頻譜信號識別、定位跟蹤及頻譜態(tài)勢等應(yīng)用，提供接口調(diào)用，滿足用戶的訂閱需求；支撐服務(wù)主要包括時間同步和節(jié)點定位，其中時間同步為各類節(jié)點提供統(tǒng)一工作時鐘精度，支撐頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)融合處理，節(jié)點定位用于提供各類電磁頻譜感知節(jié)點、匯聚節(jié)點的位置信息，確保頻譜監(jiān)測位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（1）分簇方式

電磁頻譜監(jiān)測采用分層處理與傳送機制，感知節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點傳送到信息中心。在監(jiān)測過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)各感知節(jié)點接收各個匯聚節(jié)點信號的強弱程度劃分為多個簇。首先，匯聚節(jié)點周期性地廣播報文消息REQ，以宣示自己作為簇首節(jié)點的存在，每個感知節(jié)點認(rèn)為發(fā)來報文REQ最早的匯聚節(jié)點信號最強，并回復(fù)該匯聚節(jié)點ACK報文，匯聚節(jié)點收到ACK之后則將該感知節(jié)點加入到自己的簇成員列表中。匯聚節(jié)點周期性地廣播報文消息REQ，即使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚓W(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境發(fā)生變化對無線通信造成影響時，每個周期的開始都使整個網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)通信處于最優(yōu)階段。

（2）路由與協(xié)議

系統(tǒng)采用被動模式與主動模式結(jié)合的路由方法。簇內(nèi)采用主動式路由協(xié)議，在簇建立完成后，每個感知節(jié)點只和自己的簇首通信，路由表只保留簇首的地址。簇首則通過各感知節(jié)點回復(fù)的ACK報文記錄其簇內(nèi)成員地址，在自己的路由表中記錄下來，并通過周期性廣播泛洪報文REQ使路由列表得到更新。

當(dāng)有監(jiān)測任務(wù)時，簇首直接在自己的路由列表中選擇感知節(jié)點的地址，通知其執(zhí)行頻譜監(jiān)測；簇間通信過程中，選擇反應(yīng)式的AODV作為組網(wǎng)協(xié)議，通過多跳傳輸將監(jiān)測數(shù)據(jù)上報到信息中心節(jié)點。當(dāng)感知節(jié)點將監(jiān)測到的頻譜數(shù)據(jù)傳回自己的簇首匯聚節(jié)點后，匯聚節(jié)點需要將頻譜數(shù)據(jù)傳送到信息中心進行數(shù)據(jù)融合，此時匯聚節(jié)點發(fā)起泛洪報文RREQ尋找信息中心節(jié)點的存在，當(dāng)信息中心節(jié)點或者擁有信息中心節(jié)點路由的匯聚節(jié)點收到該報文RREQ后，發(fā)送RREP到路由發(fā)起節(jié)點，發(fā)起節(jié)點對收到的RREP消息進行確認(rèn)，防止出現(xiàn)路由環(huán)路。此時，多跳模式路由建立完成，可以完成匯聚節(jié)點到信息中心節(jié)點的通信。因此，感知節(jié)點監(jiān)測到的頻譜數(shù)據(jù)通過簇內(nèi)和簇間通信傳送到信息處理中心。

3節(jié)點功能實現(xiàn)

主要包括電磁頻譜感知節(jié)點和信息匯聚節(jié)點功能的實現(xiàn)。

3.1電磁頻譜感知節(jié)點功能實現(xiàn)

（1）硬件功能實現(xiàn)

電磁頻譜感知節(jié)點硬件主要包括頻譜監(jiān)測模塊、控制處理模塊、通信模塊和支撐模塊（包括電源、時鐘同步等）等，如圖3所示。

頻譜監(jiān)測模塊接收空間的電磁波能量轉(zhuǎn)換為電信號，濾波后通過該模塊的射頻調(diào)諧器實現(xiàn)信號的變頻和放大，最后通過采樣和識別單元完成信號采樣，獲取信號屬性的原始數(shù)據(jù)，完成信號搜索、分析和參數(shù)測量?？刂婆c數(shù)據(jù)處理模塊主要由控制與數(shù)據(jù)處理單元、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和調(diào)試接口單元等部分組成。無線接入通信模塊主要包括射頻收發(fā)模塊、天線與放大器。電源模塊負(fù)責(zé)給各硬件模塊供電，以保證節(jié)點的正常工作。時鐘模塊主要提供節(jié)點設(shè)備內(nèi)部的工作時鐘，完成時鐘精確同步功能。

（2）軟件功能實現(xiàn)

電磁頻譜感知節(jié)點設(shè)備的軟件組成如圖4所示，包括配置管理軟件、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件、電磁頻譜監(jiān)測軟件、無線接入通信軟件和系統(tǒng)支撐軟件等。

配置管理軟件完成系統(tǒng)工作方式的管理、工作模式等參數(shù)配置、功耗管理、同步定位管理和外部接口的命令處理分析，并負(fù)責(zé)向匯聚和中心節(jié)點發(fā)送響應(yīng)和狀態(tài)上報消息。監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件完成讀取數(shù)據(jù)封裝發(fā)送。電磁頻譜監(jiān)測軟件完成電磁信號的獲取和特征提取。無線接入通信軟件包括路由組網(wǎng)軟件和信道接入層軟件；系統(tǒng)支撐軟件包括系統(tǒng)維護、操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動等。

其中，操作系統(tǒng)選用TinyOS，設(shè)計的主要目標(biāo)是代碼量小、耗能少、并發(fā)性高及魯棒性好，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用。頻譜傳感器節(jié)點對其內(nèi)存大小、電源容量等硬件平臺有嚴(yán)格的要求，TinyOS可以最大限度地減少應(yīng)用所需的硬件資源，提高特定任務(wù)的實時性[8]。TinyOS的組件層次結(jié)構(gòu)如同一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，底層的組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對這些數(shù)據(jù)進行編碼和解碼，更高層的組件負(fù)責(zé)打包、路由和數(shù)據(jù)傳輸[9]。

3.2匯聚節(jié)點功能實現(xiàn)

（1）硬件功能實現(xiàn)

匯聚節(jié)點硬件功能組成如圖5所示，與感知節(jié)點硬件實現(xiàn)基本一致，不同之處在于頻譜監(jiān)測模塊不包含電磁波頻譜監(jiān)測模塊，只包含信道監(jiān)聽模塊。

匯聚節(jié)點設(shè)備的頻譜監(jiān)測模塊僅用于通信頻帶的電磁頻譜監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定本節(jié)點通信信道；無線接入與通信模塊包含2套無線模塊，分別用于與信息中心和電磁感知節(jié)點的通信；電源模塊負(fù)責(zé)給節(jié)點上的各硬件模塊供電，以保證節(jié)點的正常工作；時鐘模塊完成時鐘精確同步功能。

（2）軟件功能實現(xiàn)

匯聚節(jié)點設(shè)備的軟件包括配置管理軟件、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件、頻譜數(shù)據(jù)融合軟件、無線接入通信軟件和系統(tǒng)支撐軟件等，如圖6所示。