無線多媒體傳感器網絡中的動態頻譜分配技術研究

劉 航 孔祥維 劉桂林

(大連理工大學信息與通信工程學院 大連 116023)

1 引言

無線傳感器網絡(WSNs)是當前國際上備受關注的研究領域。該領域綜合了傳感器、嵌入式計算、無線網絡通信以及分布式信息處理等相關技術。WSNs由大量具有通信與處理能力的微小傳感器節點密集布設在無人值守的監控區域。這些節點可以實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，經嵌入式系統對信息進行處理后，通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶。無線多媒體傳感器網絡(WMSNs)[1]是在傳統WSNs的基礎上發展起來的新型傳感器網絡。與WSNs相比，WMSNs的節點增添了CMOS攝像頭、微型麥克風和處理能力更強的處理器，因此具有了音頻、視頻、圖像等多媒體信息的感知功能。WMSNs將WSNs的自組織、多跳路由、無人值守等優點和多媒體內容豐富等優勢相結合，提供了更加便捷、直觀的監測方法。具有比傳統無線傳感器提供更多精確信息和多方面監測等優點，在軍事偵察、環境信息檢測、農業生產、醫療健康監護、建筑與家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。然而，在能耗分布、QoS要求和通信協議等方面提出了新的挑戰。特別是在無線通信方面，WMSNs需要實時傳輸音視頻等多媒體數據，短時間內需要傳輸大量數據，帶寬要求比WSNs多得多，節點通信能力由kbps增至Mbps，存儲能力由kB到MB級。

在靜態頻譜管理辦法中，由于未對WSNs(包括WMSNs)的無線通信分配固定頻段，因此，WSNs只能使用公用頻段。如目前的一些主流節點大多選擇868 MHz，916 MHz或2.4 GHz頻段。而在這些頻段還充實著其它無線通信系統。例如目前至少有3種無線通信協議采用2.4 GHz ISM頻段，分別是IEEE 802.11b/g, IEEE 802.15.4和藍牙。其中，用于WSNs的IEEE 802.15.4協議的傳輸能量最低，通信范圍最小，因此最容易受到其它通信系統和噪聲的干擾。根據Musǎloiu-E[2]等人的研究，在采用802.15.4的WSN周圍如果存在802.11通信，WSN的丟包率為3%-58%。因此，WSN必須消耗更多的能量進行數據包的重發。除此之外，隨著WSNs的廣泛應用，同一區域出現兩個或更多無線傳感器網絡的幾率日益增加。這樣，使用相同頻帶的WSNs以及使用這些公用頻帶的其它無線通信設備之間，必然會產生相互干擾，影響各自的系統性能。而且，由于WMSNs所需帶寬更多，傳輸時間更長，因此在公共頻段遇到傳輸沖突的概率更大。

為了提高無線頻譜資源的使用效率，合理有效地利用已經分配給現有無線系統的，但又存在不同程度閑置的頻譜資源，滿足人們日益增長的無線接入的需求，認知無線電技術(Cognitive Radio, CR)被公認為是當前最有前途的解決方法之一。CR一經Mitola III[3]提出便引起了廣泛的關注。CR可以有效解決頻譜資源日益匱乏的問題，能夠感知周圍無線電環境，合理利用閑置頻譜，實現動態的頻譜共享，以達到提高頻譜利用率的目的。

本文針對WMSNs的無線通信存在的無線資源和傳輸沖突等通信問題，利用CR技術解決WMSNs與其它無線設備的共存問題。本文在第2節介紹和分析WMSNs現有的MAC協議；第3節詳細闡述本文提出的具有CR功能的WMSNs的實現方法，包括頻譜感知和頻譜管理方法。第4節對上述WMSNs的頻譜感知和抗干擾能力進行了測試。最后是結束語。

2 現有MAC協議

媒體介質訪問控制(MAC)協議的主要功能是對無線通信節點分配有限的無線信道資源，是影響到無線網絡性能的主要技術。目前，對WMSNs的研究大多采用了WSNs的MAC協議，其主要分為3類：基于競爭的、無競爭的和混合的MAC協議[4,5]，他們各自對WMSNs的特點分述如下。

基于競爭的MAC 協議(如S-MAC[6])的基本思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道，如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。該類MAC通過減少或避免碰撞重傳、串音以及空閑偵聽，以節約能量，增加節點壽命。然而，該類MAC協議增加了延遲和降低了無線傳輸的吞吐量，無法滿足WMSNs較高的實時性要求及傳輸大量數據。

無競爭方式的MAC 協議又分為單信道和多信道協議。單信道協議(如基于TDMA機制的MAC協議[7])的基本思想是為每對節點分配互不干擾的信道實現消息的傳輸，從而避免了共享信道的碰撞。早期的MICA2 和MICAz節點采用單信道MAC協議，傳輸速率分別為38.4 kbps和250 kbps，很難滿足多媒體業務的傳輸。而多信道協議可以有效提高現有帶寬的利用率，通過空間重疊的方式，使現有的帶寬能有效地利用滿足多媒體業務的傳輸的需要。雖然無競爭的多信道MAC協議理論上可以滿足WMSNs的要求，但是，根據上文所述，隨著公用頻帶(包括ISM)的日益匱乏，無法保證WMSNs在該頻段獲得足夠多個穩定的信道。

混合協議包含基于競爭協議和無競爭協議的設計要素，目的是將二者取長補短，以便設計出更加高效節能得MAC協議。

目前大多數MAC協議均是在使用固定的幾個公用頻帶的前提下發展起來的，然而，隨著公用頻帶資源日益匱乏，這些協議的性能將大打折扣。這個問題有多種解決途徑，其中之一是對這些MAC進行改進，使其能夠動態地利用空閑的私有頻帶進行無線通信，即具有CR能力。為了達到上述目的，WMSN節點在MAC層的前端必須具備兩種能力，即感知無線環境能力和頻譜管理能力。下一節提出了這兩個能力的實現方法。

3 具有CR功能的WMSNs

為了使WMSNs可以感知周圍無線電環境，具有合理的分配和利用閑置頻譜的能力，實現動態的頻譜共享，達到提高頻譜利用率，降低WMSNs無線通信的數據碰撞概率，增強網絡抗干擾能力的目的，WMSNs需要相關硬件支持，而且MAC層的前端必須具有感知無線環境能力和頻譜管理能力。針對WMSNs節點的物理限制，如計算能力和能量供應，本文提出了低復雜度的聯合頻譜感知方法和頻譜管理方法。

3.1 頻譜感知

WMSNs必須具備在一定的頻率范圍內感知周邊無線電環境的能力，即頻譜感知能力。頻譜感知可以實時地探測是否存在空閑頻段，以供WMSNs使用。同時，還應隨時監控授權用戶是否重新接入該頻段，以確保WMSNs不對授權用戶造成干擾。CR中頻譜感知技術以檢測節點數量劃分，可以分為單節點檢測和多節點聯合檢測。由于WMSNs中含有大量的節點，節點都是由電池供電，并且發射數據速率較低，內存及運算處理能力有限，因此利用單節點探測的頻譜感知存在一定的物理局限性。多節點聯合檢測可以克服信道的多徑衰落、陰影效應以及隱藏站點等諸多單節點檢測無法解決的問題。因此多節點的聯合探測可以通過WMSNs已形成的網絡實現對無線信道、內存、能量等資源的有效利用。因此，WMSNs更適合采用多節點聯合探測的頻譜感知技術。

目前，CR中多節點聯合檢測研究主要基于中心控制方式。分布于不同位置的多個檢測節點獨立運行對授權用戶信號的本地檢測算法，并得到信號存在與否的判決概率。然后，中心接入點根據收到的來自各個節點的判決結果綜合做出信號存在與否的最終判決。對于具有簇型結構的WMSNs，簇首可以作為中心接入點完成對授權用戶存在與否的最終判決；而對于非簇型結構的網絡，利用某種機制選擇適合節點作最終判決，如基于能量機制和[8]。然而受到節點自身的計算能力和能量等物理條件限制，每個節點能夠獨立檢測的頻譜帶寬非常有限，無法直接將認知無線電的多節點聯合檢測研究移植到WMSNs。又因為WMSNs的節點可能被大量布置，無線通信需要同時使用多個信道，且節點分布在較大范圍內，同一信道在不同區域的可用性會有所不同。因此，本文提出了適用于WMSNs的頻譜聯合感知的方法。其主要思想是WMSNs以簇為單位，采用不同簇感知不同頻段，或相鄰簇感知不同頻段；簇中各節點感知不同的信道，然后再由簇首作最后判決。如果沒有簇首，則可以利用某種規則選取最適合節點作最后判決，如能量優先原則。詳細的聯合頻譜感知過程如下。

(1)WMSNs中各節點進行初始化，建立具有簇型結構的無線網絡 每個簇由一個簇首節點和多個簇成員節點構成。為了使得各節點的能量消耗達到平衡，簇首節點可以實現輪換機制。簇首輪換后，原簇首將可用信道列表傳輸給新簇首。關于簇的建立[9,10]和簇首節點的選舉算法不是本文的重點，所以在此不作過多的闡述。

(2)簇首開始監聽控制信道 簇結構建成后，簇首根據簇內節點數量設定本簇感知頻段的范圍和起始頻率，并監聽公共控制信道。若信道空閑，則廣播本簇的感知頻段；若在此之前接收到其它簇首的廣播，則將其保存至“相鄰簇使用頻段列表”，并與本簇的感知頻段對比。如果兩簇的頻段不同，則在信道空閑時廣播本簇的感知頻段；否則，另選擇一個與列表中的其它簇的感知頻段不重疊的頻段作為本簇的感知頻段，然后對外廣播。通過上述方法可以避免近鄰簇采用重疊頻段作為數據信道。

(3)簇內頻譜感知 簇內節點收到簇首廣播后開始進行頻譜感知。簇內的頻譜感知采用輪換機制。若一個簇包含M個節點，分別是S0,S1,…, SM?1，在該簇感知的頻譜范圍內劃分N個等帶寬的信道，用C0,C1,…, CN?1來表示。若一個節點一次可以探測K個信道，則節點Si首輪探測的信道為Cmod((Ki+k),N)，k=0,1,…,K ?1。第p輪探測的信道為Cmod((K(Mp?M+i)+k),N)，k=0,1,…,K ?1。每個信道被探測KMp/ N次。采用輪換機制可以獲得同一信道在該簇范圍內的整體情況，避免無法探測到圖1的情況。在圖1中，WMSN與授權用戶的信號傳輸范圍部分重疊，節點1，節點2和節點4無法探測到授權用戶的存在。如果不采用輪換機制，該簇極有可能根據這些節點的探測結果選擇與授權用戶信道重疊的信道進行無線通信，這樣勢必會對授權用戶產生干擾。而采用輪換機制可以避免上述問題的發生。

圖1 授權用戶網絡與WMSN部分重疊

目前，節點對信道的探測方法主要有3種，分別是能量探測法、匹配濾波器探測法[11]和循環平穩探測法[12]。能量探測法運算復雜度低，但亦受噪聲干擾；匹配濾波器法感知速度快，但感知單元的實現復雜度高；循環平穩探測法抗干擾能力強，但計算復雜度極高。由于受到計算能力和能量的限制，WMSNs節點采用能量探測法最為適合，本文選擇節點接收信號強度(RSSI)作為探測結果。

(4)通信信道選擇 簇內節點在感知周期T內，在被探測信道進行信號接收，接收間隔為Ts，接收信號強度為RSSI。節點將概率值P(RSSI＞λ)(λ為能量檢測的門限)作為探測值，報告給簇首。對于同一個信道可能被不止一個節點探測的情況，簇首選取該信道探測值的最大值作為的探測結果。然后，簇首保留探測結果小于閾值P'的信道，將其由小至大排序后保存至可用信道列表，同時舍棄其它信道。位于結果列表靠前的信道為本簇無線通信的優先使用信道。

至此，頻段感知的初始工作已經完成，傳感器網絡進入工作階段。在數據傳輸周期Δt后，WMSNs進行下一輪頻譜感知。本文選取固定值作為輪換間隔時間，在下一階段的研究中會設計Δt的自適應算法。在新一輪的感知過程中，所有數據傳輸終止。頻譜感知完成后，簇首更新可用信道列表，然后為各節點重新分配數據信道。圖2給出了信道使用示意圖。在感知周期內，利用控制信道完成探測過程所有通信。在數據傳輸周期，有通信需求的節點在申請得到可用信道后，可進行數據傳輸。

圖2 信道使用示意圖

3.2 頻譜管理

WMSNs需要根據頻譜感知結果，對頻譜資源進行分析和評價，確定時間和空間上可用頻譜資源，然后根據一定的規則對頻譜資源進行分配。WMSNs的無線通信信道分為控制信道和數據信道。因此需要對采用CR技術的WMSNs的控制信道和數據信道采用的頻段進行選擇。

本文的算法中，控制信道采用公有頻段，如2.4 GHz頻段，而數據信道則采用利用CR技術得到的空閑私有頻段。這樣做的原因是控制信號的發生次數高于數據信號，但幀的長度遠遠小于數據信號，因此控制信道的占空比相對較低，公用頻段已經可以滿足要求。如果二者均使用空閑私有頻段，由于控制信號的發生頻率較高，勢必會增加無線環境感知的次數，產生較大的能量消耗。而且，控制信道采用動態頻譜分配會復雜化網絡初始化的組網過程。因此，上述頻譜感知過程中的控制信號均采用預定的公用頻段傳輸。

另一方面，WMSNs為了節省能量，一般不會連續傳輸多媒體數據，而是當傳感器捕獲到目標后才傳輸數據，目標消失后終止傳輸。因此，數據信道只在較短時間內需要較大帶寬傳輸數據，因此數據信道采用空閑私有頻段，從而獲得較大帶寬。下面將詳細說明數據傳輸過程。

如圖3(a)所示，節點傳輸數據前，先利用控制信道向簇首發送數據信道參數請求和接收節點ID。簇首通過在控制信道的廣播，將可用信道列表中位置最靠前的未使用信道參數發送給發送節點和接收節點，然后將該信道標記為“正在使用”。發送節點收到回復后，利用數據信道與接收節點進行一次“握手”后，開始數據傳輸。若“握手”過程失敗(圖3(b))，則重新向簇首發送請求；簇首將以分配給該節點的信道標志為“未使用”后，重新將可用信道列表中位置最靠前的未使用信道參數發送給發送節點和接收節點，然后將該信道標記為“正在使用”，待數據傳輸完畢，發送節點通知簇首，簇首將該信道標記為“未使用”。

圖3 數據傳輸過程

4 實驗結果

為了驗證本文中提出的頻譜感知方法和頻譜管理方法的有效性，我們做了以下實驗。首先，利用5個Crossbow公司的Imote2節點和兩臺筆記本電腦進行了模擬實驗。用Imote2節點建立WMSNs，其可搭載IMB400傳感器模塊，提供視頻、音頻、振動等多媒體數據。該節點采用Chipcon CC2420射頻芯片，可在2.4 GHz頻段進行符合802.15.4規范的無線通信，具有16個信道，分別是802.15.4所規定的11-26信道。圖4(文獻[13]中圖4-1)提供了RSSI與接收信號強度(dBm)的對應關系。另外，我們用兩臺筆記本電腦模擬授權用戶，二者之間的無線通信被視為授權用戶在私有信道的通信，通信方式為802.11g規范，通信信道為第6信道，速率為54 Mbps。該信道與802.15.4的第16-19信道的頻譜重疊，如圖5所示。為了盡量減少多徑和掩蔽效應的影響，所有實驗在一個開闊地進行，并可假設無其它無線通信設備影響實驗結果。無線傳感器節點與筆記本電腦的距離為5-10 m。

圖4 RSSI與接收信號強度的關系圖

本文用WMSN對上述16個信道進行了探測，每個信道采樣200次，采樣間隔為Ts=1 ms。我們記錄了每次接收的信號強度。本文定義接受信號強度小于-50 dBm時的信道為空閑狀態，從而得到每個信道的占空比(圖6)。從圖中可以看出，在與802.11g的第6信道重疊的信道(16-19)，接收信號的占空比高于50%，說明與其重疊的信道可能正在被私有用戶使用，因此，WMSNs必須選擇其它信道。而在其它信道，占空比較低，接收信號均集中在最低能量段(＜-50 dBm)。說明這些信道私有用戶目前未使用該信道，因此，WMSNs可以使用這些信道。通過該實驗可以證明，WMSNs通過合作式的能量檢測方法能夠有效檢測私有信道的使用情況，從而可以通過合理的頻譜分配，對空閑頻譜進行有效利用。

為了進一步測試具有動態頻譜分配能力的WMSN，我們利用Imote2進行了另一個試驗。用802.15.4的第11-24信道模擬私有頻段作為數據信道，第26信道模擬公有頻段作為控制信道；將兩臺筆記本電腦間的無線通信作為授權用戶的通信。為了比較具有CR功能的WMSN的抗干擾能力，本文分別對不具備CR功能和具備CR功能的兩個WMSNs進行了測試。測試初始階段，WMSNs中的Imote2節點間利用802.15.4的第17信道進行無線傳輸，速率為20 pkts/s，授權用戶保持靜默狀態。500 s后，授權用戶利用802.11的第6信道進行通信，持續時間500 s，然后恢復靜默。以上過程記為一個測試周期，測試持續了3個周期。每50 s記錄一次WMSNs的丟包率。如圖7(a)所示，無CR功能的WMSN在授權用戶靜默時，可以保持較低的丟包率(≈0.004)；然而當授權用戶出現后，丟包率激增(≈0.24)，在此條件下，WMSN需要額外消耗1/(1?)?1≈32%能量進行數據包重發。與之相比，具有CR功能的WMSN僅在授權用戶第1次出現初期發生了高丟包率的情況，而其它時間均保持了較低的丟包率。這是由于在授權用戶第1次出現初期，WMSN正處于數據傳輸周期，未能及時對無線電環境進行感知。經下一個感知周期后，WMSN調整了數據傳輸信道(11信道)，避免了授權用戶的干擾。在授權用戶第2次出現時，由于WMSN已處于11信道，因此受到的干擾較小(≈0.006)。

圖5 802.11b/g和802.15.4部分信道頻譜

圖6 不同信道占空比

圖7 不同WMSNs在各時間段的丟包率

5 結束語

本文提出了一個將CR技術融入WMSNs的方法。該方法通過在MAC層前端增加頻譜感知和頻譜管理功能，使得WMSNs可以感知周圍無線電環境，并且利用空閑的私有頻段進行無線通信。該方法可以為WMSNs提供靈活的頻譜范圍，以及減少其它無線設備在公共頻段對WMSNs的干擾。通過實驗證明，現有無線傳感器節點可以探測自身信道頻段是否被其它無線設備使用，從而對可用頻譜資源進行合理分配。當然，目前的測試均是在公用頻段內進行。若想使WMSNs節點真正具有CR功能，可以利用私有信道進行無線通信，還須對其硬件進行改進。

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