無線認知電傳感器網絡研究

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

0 引言

無線傳感器網絡(WSN)是由部署在監測區域內大量低成本、低功耗，具有感知、計算、數據處理和無線通信能力的微型傳感器節點形成的一個多跳自組織網絡，能夠協作地完成實時監測和采集被監測對象的信息并對其進行處理，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，在國防軍事、環境監測、交通管理、醫療衛生、工業自動化等領域得到了廣泛的應用，但也面臨著諸多挑戰。

一方面，現有的WSN都工作在無需授權的公用頻段，這些公用頻段正隨著各種新的無線通信技術的興起而日益擁擠。公用頻段的異構無線系統共存問題已成為制約WSN發展的瓶頸。另一方面，傳統的WSN所用頻譜是固定分配的，且對于無線傳感器節點來說，通信和處理資源相當有限，因而在一些特定的頻譜資源使用較為緊張的環境(如戰場電磁環境)中，傳感器網絡將很難正常工作。為解決這個問題，能夠實現動態頻譜接入的無線認知傳感器網絡(WCSN)應運而生。

WCSN[1-8]可以定義為“無線認知無線電傳感器節點的分布式網絡”。它建立在傳統WSN的基礎上，通過賦予無線傳感器節點頻譜感知、數據分析、參數調整等功能，使其成為認知節點。其工作過程為:認知節點和匯聚節點交互控制數據、頻譜分配信息和路由信息等，之后認知節點感知事件信號，并在可用頻段上以協同方式進行動態感知信息的交互，多跳上傳感知結果給匯聚節點，由匯聚節點完成收集認知信息，進行頻譜決策和傳輸控制。通過在WSN中實現認知無線電技術，WCSN不但能夠緩解公用頻段的擁擠狀況，而且能夠在降低WSN工作頻率后拓展節點的單跳覆蓋區域，從而大大簡化網絡拓撲結構。

1 WCSN體系結構

WCSN的典型體系結構如圖1所示。它通常由基站、主用戶、無線認知傳感器節點、匯聚節點構成。主用戶在授權頻段與基站建立連接，無線認知傳感器節點和匯聚節點則以機會方式實現頻譜接入。根據頻譜可用情況，傳感器節點以機會方式將信息傳送到下一跳，最終傳輸到具有認知無線電能力的匯聚節點。除了事件信息之外，無線認知傳感器節點還可以與匯聚節點交換其他信息，包括群形成的控制數據、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撲結構密切相關。

圖1 WCSN體系結構

1.1 WCSN節點硬件結構

典型的WCSN節點硬件結構如圖2所示。與傳統WSN節點相比，它增加了1個認知無線電收發器模塊，該模塊支持無線傳感器節點動態調整載波頻率、傳輸功率和調制方式等通信參數。同時，WCSN節點也繼承了傳統WSN節點的缺點，如計算速度、電源能量、通信能力和存儲空間非常有限，這也限制了認知無線電部分功能在WSN中的發揮。

1.2 WCSN的優勢

認知無線電技術在WSN中的應用，使得WCSN具備了諸多傳統WSN所不具備的優勢。

1.2.1 動態頻譜接入

當前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頻段，這些頻段同樣也被其他設備所使用。同時，若采取租借授權頻段的頻譜，則會大大提高系統總體部署成本。WCSN通過采用機會頻譜接入方法，可以實現與其他授權用戶高效共享授權頻譜，同時大大提高了頻譜利用效率。

圖2 無WCSN節點硬件結構

1.2.2 多種并發WSN的重疊部署

WCSN實現了動態頻譜管理功能，它有利于空間上重疊的多個傳感器網絡高效共存。這樣既優化了通信性能，又提高了資源利用率。

1.2.3 功耗自適應降低

無線信道的動態特性會造成功率消耗，這主要是由丟包和重傳造成的。支持認知無線電功能的傳感器節點可以自適應可變信道狀態，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 有效解決猝發流量導致的問題

在傳統的WSN中，當大量傳感器節點檢測到某個事件信息會生成猝發流量，并通過獲取信道來傳送這些信息。這勢必會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由于實現了對多個信道的機會接入，可以有效地解決這一問題。

1.2.5 不同頻譜策略下的通信

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

2 WCSN拓撲結構

根據應用需求，WCSN可采用Ad Hoc式、分簇式、異構分級式和移動式4種拓撲結構。

2.1 Ad Hoc式WCSN

Ad Hoc式WCSN拓撲結構如圖3所示。在這種拓撲結構中，每個認知無線傳感器節點的通信范圍非常有限，路由一般都由多跳組成，數據通過多個認知無線傳感器節點的轉發，才能將信息傳送給匯聚節點。這種拓撲對通信開銷和控制數據要求較低。但因潛在的終端問題，頻譜感知結果準確度不高。

圖3 Ad Hoc式WCSN拓撲結構

2.2 分簇式WCSN

在WCSN中，通常需要為每個傳感器節點分配1個公共控制信道，用于傳輸各種控制數據(如頻譜感知結果、頻譜分配數據、鄰居發現和維護信息)。在整個WCSN范圍內為每個傳感器節點分配一個公共控制信道是不現實的，但在某個特定區域卻是可以實現的。因此，要實現高效動態的頻譜管理和公共控制信道分配，分簇式WCSN拓撲結構是一種比較理想的選擇，如圖4所示。

圖4 分簇式WCSN拓撲結構

2.3 異構分級式WCSN

WCSN體系結構中可以包含具有高效能源或可再生能源的特定反應器節點，這些節點的通信能力、存儲能力、計算能力比較強，能夠協助WCSN完成一些復雜的感知數據處理工作，還可以承擔一些其他任務(如本地頻譜拍賣)。這些反應器節點具有較寬的傳輸范圍，可用作中繼節點，它們與其他無線認知傳感器節點一起，形成了一種異構和分級拓撲結構。在這種WCSN中，既包含普通WCSN節點，又包含了高功率中繼節點(反應器)，還包含了匯聚節點，如圖5所示。

圖5 異構分級式WCSN拓撲結構

2.4 移動式WCSN

如果構成WCSN的各種設備具備自由移動功能，則網絡將會形成一個不斷變化的動態拓撲結構，此時它面臨的挑戰性問題將會更多、更復雜。它要求資源受限的WCSN節點，能夠實現移動性已知的動態頻譜管理方案，且在設計認知無線電通信協議時，也要充分考慮到無線認知傳感器節點的移動性。

3 WCSN的應用領域

由于WCSN引入了認知無線電技術，因而具備了傳統WSN所無法比擬的優勢，它是一種發展潛力很大的解決方案，未來將在多個領域得到應用和部署。

3.1 實時監視應用

在實時監視應用(如目標檢測和跟蹤)中，通常要求信道接入和通信時延最小化。在傳統的WSN中，由于工作頻段過于擁擠，導致這一目標事實上難以實現。同時，當無線傳感器節點重新進行路由時，通信鏈路發生故障、控制信道狀態惡化也會產生時延。

對于實時監視應用來說，WCSN中的傳感器節點能夠以機會方式接入可用信道，進而實現接入和端到端時延最小化。隨著WCSN中新型時延敏感協同頻譜感知、分配和路由算法的出現，實時感知應用的性能還可以進一步優化。此外，通過使用頻譜切換功能，用于戰術監控的WCSN不易受到截獲和干擾的威脅。

3.2 多媒體應用

對于資源受限的無線傳感器節點來說，由于多媒體對帶寬的要求相當高，當信道狀態不斷發生變化時，使得以多媒體形式傳輸的事件特征可靠性和及時性受到一定限制。WCSN為傳感器節點提供了一定自由度，它能夠根據環境條件以及與應用有關的QoS要求(包括帶寬、誤碼率、接入時延)，動態地改變接入信道。例如，當分組通過多跳進行傳輸時，每個中繼節點會盡可能使用較高頻率和數據速率，來提供所需的帶寬。

3.3 室內感知應用

室內感知應用包括遠程醫療、家庭監控、應急網絡、工廠自動化等，通常需要在較小區域內部署大量傳感器節點。這些節點一般使用未授權頻段，如工業、科學和醫療(ISM)頻段，這些頻段是相當擁擠的。當丟包、碰撞和競爭時延存在時，要實現高效可靠的通信就面臨著諸多挑戰性。WCSN由于實現了機會頻譜接入，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備擁擠的環境中，WCSN通過利用動態頻譜管理的潛在優勢，也能實現關鍵信息的可靠傳輸。

3.4 多級異構感知應用

在一些應用場景中，可能會出現多個WSN共存于同一區域的情況。由這些WSN節點采集的數據通過融合，可以為單項決策提供信息支持。同樣，在單個WSN中，不同傳感器節點可能部署在同一區域，對事件信號在多維空間內進行抽樣，并采集被監控目標的音視頻信息。由于WCSN實現了動態頻譜管理功能，因而多級異構WSN可以進行重疊部署，并做到相互干擾最小。同時，通過多個WCSN之間的合作和協調頻譜管理，可以提高單個傳感器節點的性能，提升頻譜資源的整體利用率。

3.5 無線應急網絡

公共安全和應急網絡是WCSN可以應用的一個重要領域，當發生自然災害(如地震、洪水、雪災等)，可能會對原有的通信基礎設施造成毀滅性的破壞。通常需要在災難現場部署多個應急無線網絡(包括WSN)，此時各種通信設備和通信網絡大量云集在狹小地域，必然造成頻譜資源使用上的混亂。WCSN利用認知無線電的自我感知和自我協調能力，能夠在緊急情況下，充分利用空閑的授權用戶頻譜資源，可靠地保障應急通信需要。

3.6 軍事信息網絡

認知無線電技術的自我感知和自我調整的特點，使得WCSN能夠自適應地選擇頻譜，較好地適應戰場復雜多變的電磁環境，并實現通信數據的安全傳輸，因而具有極高的軍事應用價值。同時，WCSN和現有的軍事無線通信系統共存，避免對現有通信系統的干擾，這一特性使得WCSN的快速部署成為可能。

4 結論

通過研究WCSN問題，可以為當前WCSN的研究和標準化工作做出貢獻，這對于WCSN的成功實現和廣泛部署是非常關鍵的。隨著無線網絡高速化、寬帶化、異構化、泛在化趨勢的加劇，預計未來10年內，將出現同一區域內多個不同應用目標WCSN與現有傳統無線網絡共存現象。由于頻譜資源的緊缺，這些共存的網絡會出現嚴重的頻譜資源競爭，因而適時開展多級異構WCSN關鍵技術的研究是非常必要的。

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