面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò )設計

摘要：針對認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )、頻譜監測等領(lǐng)域對寬頻段頻譜感知的需求，基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，提出了一種面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò )設計方案，包括分簇的網(wǎng)絡(luò )結構、分頻段的協(xié)作感知機制以及感知結果的協(xié)作處理機制，分析了實(shí)現這種方案的關(guān)鍵技術(shù)，為利用傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行寬頻帶協(xié)作頻譜感知提供了一種可選的方案。
關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò )；頻譜感知；分簇

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)需求的增加，無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)、移動(dòng)Ad Hoe網(wǎng)絡(luò )等各類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的數量快速增長(cháng)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)成為信息社會(huì )的基石。利用有限的頻譜資源為用戶(hù)提供高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)服務(wù)，一直是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的研究目標。目前，對頻譜的有效感知成為實(shí)現有效的頻譜管理、保證頻譜合理利用的基礎。
作為一種有限的資源，無(wú)線(xiàn)頻譜的稀缺問(wèn)題越來(lái)越嚴重，成為制約無(wú)線(xiàn)應用的重要瓶頸。根據2003年美國國家電信與信息管理局(Natio nal Telecommunications and Information Administration．NTLA)公布的頻譜分配圖，可分配的頻段已經(jīng)面臨枯竭。1999年，Joseph Mit ola博士提出了認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)(Cognitive Radio，CR)，CR可以使用戶(hù)感知、識別并且靈活地接入空閑頻段?；贑R的這種能力，可以實(shí)現對空閑頻譜的動(dòng)態(tài)利用，為提高頻譜利用率、解決頻譜稀缺問(wèn)題提供了可能。在認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )(Cognitive Radio Networks，CRN)中，通過(guò)節點(diǎn)獨立或者協(xié)作感知能夠獲得可用頻譜情況，但是這種方式的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)較大，難以實(shí)現實(shí)時(shí)頻譜感知，也會(huì )降低空閑頻譜利用的效率。因此，建立頻譜環(huán)境地圖(Radio Environment Map，REM)等外部網(wǎng)絡(luò )對認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )提供可用頻譜信息、地理特征、用頻經(jīng)驗等支持，是實(shí)現基于認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜利用的重要途徑。此外，隨著(zhù)電子信息技術(shù)在公共安全和軍事領(lǐng)域的廣泛應用，全面掌握各個(gè)頻段的電磁環(huán)境狀況對國家安全、地區維穩具有重要的意義。而目前的頻譜監測手段主要基于單節點(diǎn)、有線(xiàn)傳輸的方式，監測范圍有限，無(wú)法實(shí)現全時(shí)空、全頻譜監測能力。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)是由具有通信、計算和網(wǎng)絡(luò )功能的傳感器節點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式相互連接、共同完成特定任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )以自組織的方式工作，具有可靠性、抗毀性高的優(yōu)點(diǎn)，并且部署靈活、成本較低。因此，基于傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行頻譜感知與監控是動(dòng)態(tài)頻譜管理、頻譜監測等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。美國國防部很早就啟動(dòng)了利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )收集戰場(chǎng)信息的研究，2001年美國陸軍提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò )通信計劃”，研究通過(guò)布設大量節點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò )收集戰場(chǎng)信息并進(jìn)行過(guò)濾和融合。美國維吉尼亞工學(xué)院研究了基于傳感器網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境地圖，以收集頻譜信息、監管制度、無(wú)線(xiàn)設備功能以及區域用頻經(jīng)驗等信息，對工作在該地區的動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行支持。DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)資助的自適應增強無(wú)線(xiàn)小組項目研究了基于REM支持的分布式認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )方案。而基于傳感器網(wǎng)絡(luò )的分布式檢測算法也受到了研究人員的廣泛關(guān)注和研究。這些項目和文獻研究了基于傳感器網(wǎng)絡(luò )的協(xié)作感知和信息處理方法，但是均沒(méi)有針對寬頻段、實(shí)時(shí)感知進(jìn)行設計。
針對這種問(wèn)題，文中針對傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和寬頻段感知的需求，提出一種用于頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò )方案。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系結構與特點(diǎn)
1．1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系結構
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統通常由傳感器節點(diǎn)(sensor node)、匯聚節點(diǎn)(sink node)和管理節點(diǎn)組成，如圖1所示。大量傳感器節點(diǎn)隨機部署在監測區域(sensor field)內部或附近，通過(guò)自組織的方式進(jìn)行協(xié)作。節點(diǎn)監測到的數據通過(guò)多跳轉發(fā)傳輸，在傳輸過(guò)程中可能經(jīng)過(guò)不同節點(diǎn)的處理，到達匯聚節點(diǎn)的數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛星到達管理節點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )管理者通過(guò)管理節點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監測任務(wù)以及收集監測數據。

傳感器節點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統，每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)攜帶的電池供電，感知能力、存儲能力和通信能力相對較弱。每個(gè)傳感器節點(diǎn)同時(shí)具有傳統網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了對區域的信息收集和數據處理之外，還要對其他節點(diǎn)傳送的數據進(jìn)行存儲、管理和融合等處理。由于傳感器節點(diǎn)能力的限制，單個(gè)節點(diǎn)難以完成任務(wù)，對單項任務(wù)的監測需要通過(guò)多個(gè)傳感器節點(diǎn)協(xié)作完成。
匯聚節點(diǎn)(sink node)也叫網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，通常為一個(gè)功能增強的傳感器節點(diǎn)，擁有的內存和計算資源較多，它的能量供應也比較充足，因此其處理能力、通信能力和存儲能力都較強，它主要負責連接傳感器網(wǎng)絡(luò )和外部網(wǎng)絡(luò )，對兩種不同的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧之間的協(xié)議進(jìn)行相互轉換，將網(wǎng)絡(luò )所獲知的數據轉發(fā)給外部網(wǎng)絡(luò )。匯聚節點(diǎn)獲得的數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛星等其他傳輸手段傳送到任務(wù)管理中心供用戶(hù)觀(guān)察分析。
另一方面，監測任務(wù)的下發(fā)、網(wǎng)絡(luò )的管理通過(guò)上述過(guò)程的逆過(guò)程實(shí)現。
1．2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )主要基于無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)(Ad Hoc Networks)技術(shù)，同時(shí)具有自己的特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)是一個(gè)由幾十到上百個(gè)節點(diǎn)組成的、采用無(wú)線(xiàn)通信方式的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳對等網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)動(dòng)態(tài)路由技術(shù)提供滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)中的節點(diǎn)一般假定具有持續的能量供給。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是集成了檢測、控制以及無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò )系統，節點(diǎn)數目一般更為龐大，節點(diǎn)分布更為密集，節點(diǎn)通常固定不動(dòng)，但由于環(huán)境影響和能量耗盡，節點(diǎn)更容易出現故障。網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的變化和節點(diǎn)的低可靠性容易造成網(wǎng)絡(luò )拓撲的變化。由于傳感器節點(diǎn)的能量、處理能力、存儲能力和通信能力的限制，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的首要目標是提高能源的利用效率，以提高網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間，亦是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與包括無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)在內的傳統網(wǎng)絡(luò )的重要區別之一。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)可以總結如下：
1)大規模自組織網(wǎng)絡(luò )
在監測區域，為了獲取精確信息，通常部署大量傳感器節點(diǎn)，在很大的地理區域內，傳感器節點(diǎn)數量可能達到成千上萬(wàn)，甚至更多，部署很密集，因此傳感器網(wǎng)絡(luò )不會(huì )因一個(gè)或幾個(gè)節點(diǎn)出現問(wèn)題而導致網(wǎng)絡(luò )不可用的或通信中斷的現象。
在網(wǎng)絡(luò )應用中，傳感器節點(diǎn)通常情況下被放置在沒(méi)有基礎結構的地方，傳感器節點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議自動(dòng)形成轉發(fā)監測數據的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，能夠適應傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)個(gè)數動(dòng)態(tài)地增加或減少的動(dòng)態(tài)變化。
2)動(dòng)態(tài)性可靠網(wǎng)絡(luò )
當環(huán)境條件變化或電能耗盡造成的傳感器節點(diǎn)出現故障或失效等因素影響時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳感器、感知對象和觀(guān)察者這三要素都有移動(dòng)性，傳感器網(wǎng)絡(luò )系統可以動(dòng)態(tài)重構，以保證其正常的工作效能。而且傳感器節點(diǎn)非常堅固，不易損壞，傳感器網(wǎng)絡(luò )也有極高的通信保密性和安全性，其軟硬件具有魯捧性、容錯性和安全性。
3)資源有限性
由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳感器一般采用嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。但是，由于嵌入式處理器的能力和存儲器的容量有限，因此傳感器的處理能力也相當受限。
4)能量有限性
由于受到硬件條件的影響，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通常采用電池供電，電池一般采用微型電池，電源能量更加受限。而多數傳感器網(wǎng)又往往要求長(cháng)時(shí)間工作，并且受到能量的影響。因此，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的通信距離很短，一般只有幾十米，甚至更短。
5)以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，多跳路由是基于數據為中心的路由，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)沒(méi)有一個(gè)全局性的標識，如IP地址。每個(gè)節點(diǎn)僅僅知道自己鄰近節點(diǎn)的位置和標識。傳感器網(wǎng)絡(luò )是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò )，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò )談?wù)搨鞲衅鞴濣c(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)相鄰節點(diǎn)之間的相互協(xié)作來(lái)進(jìn)行信號處理和通信，具有很強的協(xié)作性，而且數據傳輸具有很強的方向性。通常，查詢(xún)信息是通過(guò)廣播或多播的方式從觀(guān)察者向網(wǎng)絡(luò )內傳感器傳輸，而探測結果信息則是由分布在各處的傳感器節點(diǎn)向查詢(xún)節點(diǎn)匯聚。

2 面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò )系統架構
基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和寬頻段感知的需求，本節提出一種面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò )系統架構，包括分簇的網(wǎng)絡(luò )結構、分頻段的協(xié)作感知機制和協(xié)作的檢測處理機制。
2．1 分簇網(wǎng)絡(luò )結構
由于需要監測的頻段很寬，需要部署的節點(diǎn)很多，網(wǎng)絡(luò )采用分簇結構，如圖2所示。節點(diǎn)通過(guò)自組織的方式分成不同的簇；每個(gè)簇內節點(diǎn)通過(guò)協(xié)同檢測提高精確度，簇首節點(diǎn)通過(guò)多跳轉發(fā)將檢測結果傳送到匯聚節點(diǎn)。這種方式可以減少網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的信息傳送數量，從而降低節點(diǎn)的能量開(kāi)銷(xiāo)，提高網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間。同時(shí)，減小了路由的跳數，從而避免長(cháng)的通信路徑導致的數據包丟失概率增大，網(wǎng)絡(luò )性能下降等缺點(diǎn)。