面向頻譜感知的傳感器網絡設計

孔德陽 ， 梁 濤 ， 張建照 ， 蔣慧娟

（1.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.總參第六十三研究所 江蘇 南京 210007）

隨著無線通信技術的發展和無線通信業務需求的增加，無線城域網、無線局域網、無線個域網、移動Ad Hoc網絡等各類無線通信網絡的數量快速增長，無線通信技術成為信息社會的基石。利用有限的頻譜資源為用戶提供高質量的無線服務，一直是無線通信領域的研究目標。目前，對頻譜的有效感知成為實現有效的頻譜管理、保證頻譜合理利用的基礎。

作為一種有限的資源，無線頻譜的稀缺問題越來越嚴重，成為制約無線應用的重要瓶頸。根據2003年美國國家電信與信息管理局（National Telecommunications and Information Administration，NTIA）公布的頻譜分配圖，可分配的頻段已經面臨枯竭[1]。1999年，Joseph Mitola博士提出了認知無線電技術（Cognitive Radio，CR），CR 可以使用戶感知、識別并且靈活地接入空閑頻段。基于CR的這種能力，可以實現對空閑頻譜的動態利用，為提高頻譜利用率、解決頻譜稀缺問題提供了可能。在認知無線電網絡（Cognitive Radio Networks，CRN）中，通過節點獨立或者協作感知能夠獲得可用頻譜情況，但是這種方式的時間開銷較大，難以實現實時頻譜感知，也會降低空閑頻譜利用的效率。因此，建立頻譜環境地圖（Radio Environment Map，REM）[2]等外部網絡對認知無線電網絡提供可用頻譜信息、地理特征、用頻經驗等支持，是實現基于認知無線電網絡進行動態頻譜利用的重要途徑[3]。此外，隨著電子信息技術在公共安全和軍事領域的廣泛應用，全面掌握各個頻段的電磁環境狀況對國家安全、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、有線傳輸的方式，監測范圍有限，無法實現全時空、全頻譜監測能力。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由具有通信、計算和網絡功能的傳感器節點，通過無線方式相互連接、共同完成特定任務的網絡[4]。網絡以自組織的方式工作，具有可靠性、抗毀性高的優點，并且部署靈活、成本較低。因此，基于傳感器網絡進行頻譜感知與監控是動態頻譜管理、頻譜監測等領域的研究熱點。美國國防部很早就啟動了利用無線傳感器網絡收集戰場信息的研究，2001年美國陸軍提出了“靈巧傳感器網絡通信計劃”[5]，研究通過布設大量節點的傳感器網絡收集戰場信息并進行過濾和融合。美國維吉尼亞工學院研究了基于傳感器網絡的無線電環境地圖[2]，以收集頻譜信息、監管制度、無線設備功能以及區域用頻經驗等信息，對工作在該地區的動態頻譜接入網絡進行支持。DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）資助的自適應增強無線小組項目研究了基于REM支持的分布式認知無線電網絡方案[6]。而基于傳感器網絡的分布式檢測算法也受到了研究人員的廣泛關注和研究[7-9]。這些項目和文獻研究了基于傳感器網絡的協作感知和信息處理方法，但是均沒有針對寬頻段、實時感知進行設計。

針對這種問題，文中針對傳感器網絡的特點和寬頻段感知的需求，提出一種用于頻譜感知的傳感器網絡方案。

1 無線傳感器網絡的體系結構與特點

1.1 無線傳感器網絡的體系結構

無線傳感器網絡系統通常由傳感器節點 （sensor node）、匯聚節點（sink node）和管理節點組成，如圖1所示。大量傳感器節點隨機部署在監測區域（sensor field）內部或附近，通過自組織的方式進行協作。節點監測到的數據通過多跳轉發傳輸，在傳輸過程中可能經過不同節點的處理，到達匯聚節點的數據通過互聯網或者衛星到達管理節點。網絡管理者通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據[10-11]。

圖1 傳感器網絡結構Fig.1 Structure of the wireless sensor networks

傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，每個節點通過攜帶的電池供電，感知能力、存儲能力和通信能力相對較弱。每個傳感器節點同時具有傳統網絡節點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，還要對其他節點傳送的數據進行存儲、管理和融合等處理。由于傳感器節點能力的限制，單個節點難以完成任務，對單項任務的監測需要通過多個傳感器節點協作完成。

匯聚節點（sink node）也叫網關節點，通常為一個功能增強的傳感器節點，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絡和外部網絡，對兩種不同的網絡協議棧之間的協議進行相互轉換，將網絡所獲知的數據轉發給外部網絡。匯聚節點獲得的數據通過互聯網或者衛星等其他傳輸手段傳送到任務管理中心供用戶觀察分析。

另一方面，監測任務的下發、網絡的管理通過上述過程的逆過程實現。

1.2 無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡主要基于無線自組網 （Ad Hoc Networks）技術，同時具有自己的特點。無線自組網是一個由幾十到上百個節點組成的、采用無線通信方式的、動態組網的多跳對等網絡，通過動態路由技術提供滿足服務質量要求的多媒體信息流。無線自組網中的節點一般假定具有持續的能量供給。無線傳感器網絡是集成了檢測、控制以及無線通信的網絡系統，節點數目一般更為龐大，節點分布更為密集，節點通常固定不動，但由于環境影響和能量耗盡，節點更容易出現故障。網絡環境的變化和節點的低可靠性容易造成網絡拓撲的變化。由于傳感器節點的能量、處理能力、存儲能力和通信能力的限制，無線傳感器網絡設計的首要目標是提高能源的利用效率，以提高網絡的工作時間，亦是無線傳感器網絡與包括無線自組網在內的傳統網絡的重要區別之一[12]。

無線傳感器網絡的特點可以總結如下：

1）大規模自組織網絡

在監測區域，為了獲取精確信息，通常部署大量傳感器節點，在很大的地理區域內，傳感器節點數量可能達到成千上萬，甚至更多，部署很密集，因此傳感器網絡不會因一個或幾個節點出現問題而導致網絡不可用的或通信中斷的現象。在網絡應用中，傳感器節點通常情況下被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統，能夠適應傳感器網絡中的節點個數動態地增加或減少的動態變化。

2）動態性可靠網絡

當環境條件變化或電能耗盡造成的傳感器節點出現故障或失效等因素影響時，傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都有移動性，傳感器網絡系統可以動態重構，以保證其正常的工作效能。而且傳感器節點非常堅固，不易損壞，傳感器網絡也有極高的通信保密性和安全性，其軟硬件具有魯棒性、容錯性和安全性。

3）資源有限性

由于受價格、體積和功耗的限制，傳感器網絡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，無線傳感器節點通常采用電池供電，電池一般采用微型電池，電源能量更加受限。而多數傳感器網又往往要求長時間工作，并且受到能量的影響。因此，無線傳感網絡節點的通信距離很短，一般只有幾十米，甚至更短。

5）以數據為中心的網絡

無線傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。在無線傳感器網絡中，多跳路由是基于數據為中心的路由，傳感器網絡節點沒有一個全局性的標識，如IP地址。每個節點僅僅知道自己鄰近節點的位置和標識。傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節點沒有任何意義。傳感器網絡是通過相鄰節點之間的相互協作來進行信號處理和通信，具有很強的協作性，而且數據傳輸具有很強的方向性。通常，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察者向網絡內傳感器傳輸，而探測結果信息則是由分布在各處的傳感器節點向查詢節點匯聚。

2 面向頻譜感知的傳感器網絡系統架構

基于無線傳感器網絡的特點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絡系統架構，包括分簇的網絡結構、分頻段的協作感知機制和協作的檢測處理機制。

2.1 分簇網絡結構

由于需要監測的頻段很寬，需要部署的節點很多，網絡采用分簇結構，如圖1所示。節點通過自組織的方式分成不同的簇；每個簇內節點通過協同檢測提高精確度，簇首節點通過多跳轉發將檢測結果傳送到匯聚節點。這種方式可以減少網絡中節點的信息傳送數量，從而降低節點的能量開銷，提高網絡的工作時間。同時，減小了路由的跳數，從而避免長的通信路徑導致的數據包丟失概率增大，網絡性能下降等缺點。

圖2 分簇的傳感器網絡結構Fig.2 Clustered wireless sensor network

在網絡中，簇內節點按照星型方式組網，節點分為普通節點和簇頭節點。在一個簇單位內，普通節點只與簇頭節點通信，以減少節點能耗、延遲節點壽命。簇頭節點負責匯聚普通節點的觀測信息，并進行簡單的處理。簇與簇之間的信息傳輸依靠簇頭節點間的無線鏈路來完成。簇頭節點間組成自組織、多跳網絡，監測信息借助其他節點轉發，多跳至匯聚節點。

2.2 分頻段協作感知機制

由于單個感知節點的電磁監測性能受到處理資源、通信能力、能耗等限制、受到無線信道衰落特性、噪聲、干擾等影響，單個節點只能完成簡單的任務，無法較好地獨立完成大規模的電磁監測任務。此外，電磁傳感網的這種全分布式網絡部署特性就決定了不可能直接操作每個感知節點，而且在大多數情況下，單個感知節點不可能直接獲取部署區域的整體電磁環境信息。因此，為了充分利用感知節點的有限資源來滿足頻譜監測的要求，感知節點應在一定程度的自主基礎上，以合理的分布式協同機制共同工作，保持感知節點間行為的高度一致性，以較高的檢測概率、較低的虛警概率、較低的估計誤差、較高的識別精度、較短的檢測處理時間、較低的實現成本實現對未知或已知目標的監測。此外，分布式協同機制相對于集中控制還可以提高頻譜監測系統的魯棒性與網絡性能。

網絡采用分頻段感知的方式工作，如圖3所示。由于節點能力的限制，每個節點感知的帶寬有限，監測頻段的大小與掃描的周期是一對矛盾。在節點處理能力一定的情況下，監測頻段越寬，掃描周期就越長；監測頻段越窄，掃描周期就越短。戰場電磁環境復雜，瞬息間就可能發生變化，應依據監測任務要求、信號密集程度、節點部署情況等對整個監測頻段進行劃分，減小掃描周期，降低對單個節點監測帶寬的要求。

圖3 分頻段協同感知方式Fig.3 Frequency division based cooperative sensing

對重要頻段或信號密集的頻段，如通信信號較為集中的20～500 MHz頻段，雷達信號較為集中的1～18 GHz頻段，應加大相應的節點頻段分布密度，提高整體的監測性能。

2.3 協作的檢測處理機制

在監測區域內，分散部署了數量眾多的監測感知節點。由于節點數目龐大、且產生的信息數據覆蓋了時域、空域、頻域多維數據空間，如果每個監測節點都直接將原始的觀測信息傳輸至匯聚節點進行融合處理，顯然會耗費中繼節點的很多能量，消耗傳感網絡的大量通信資源，引起網絡通信容量出現飽和，甚至導致通信阻塞。因此，頻譜監測傳感網絡僅實現網內頻譜信息的簡單協作和傳輸是遠遠不夠的，一種可行的解決辦法是采用分級的分布式協作信號處理方式，以有效減輕頻譜電磁傳感網的信息傳輸負荷，提高電磁監測網的靈活性、可靠性。

感知節點部署完成后，匯聚節點利用感知節點定位等功能及時掌握每個節點所處的地理位置，維護并實時更新網絡的拓撲結構圖。根據分配的監測任務不同，將整個網絡動態分為不同的任務網。在每個任務網中，依據網絡拓撲信息、節點位置信息等，通過分簇算法將節點進行動態分簇，并選出相應的簇頭節點。為了便于區別，每個節點都附有標簽，用于說明所屬任務網、所屬簇、節點類型等。在每個節點簇內，普通節點可依據傳輸信道的質量對原始觀測信息進行硬判決或軟判決處理。為了節約通信資源、延長網絡生存壽命，普通節點的檢測可采用硬判決，并將檢測結果直接傳至簇頭節點。簇頭節點負責接收簇內節點所有檢測結果，運用K秩序準則對簇內檢測信息進行初步融合處理，得到簇檢測結果。借助全網簇頭節點的多跳轉發，將簇檢測處理結果傳至匯聚節點。匯聚節點負責接收所有的簇檢測處理結果，并依據相關的數據融合算法進行融合處理，得到最終的信號檢測結果。普通節點的識別與分類采用帶有置信度的軟判決，運用證據理論對簇內識別信息進行初步融合處理，得到簇識別結果。匯聚節點再依據數據融合算法得到最終的識別分類結果。

分級的分布式協作信號處理模型如圖4所示。

選取同期門診健康體檢者20例（20眼）作為對照組。其中，男12例，女8例。年齡41～78（52.4±13.0）歲。均采集右眼數據。

圖4 分布式協作檢測處理的分級模型Fig.4 Hierarchical distributed cooperative sensing result processing model

其中頻譜檢測信息的處理流程分為3級，分別是：

1）0級信號處理

由簇內普通節點來完成頻譜信息的接收、低噪放大、濾波、模數轉換、信號預處理以及初步的信號檢測、參數估計、識別分類，生成上傳的基本頻譜信息；

2）1級信號處理

由簇內簇頭節點來融合節點簇覆蓋區域內的頻譜信息，完成簇內檢測結果、識別結果等信息的初級融合；

3）2級信號處理

由匯聚節點融合傳感網覆蓋區域內的頻譜信息，完成時空校準、數據關聯、綜合過濾以及簇間檢測結果、識別結果的最終融合，實時建立和更新能反映當時監測區域內頻譜環境分布特征的數據、給出全景頻譜態勢或高分辨率的局部頻譜態勢、動態統計頻譜的時間占用度、頻率占用度和地域占用度等，并向上層頻譜控制中心匯報。

3 系統的關鍵技術分析

為了提高監測的效果和降低網絡能量開銷，需要設計高效的分簇算法，綜合考慮任務頻段的帶寬、節點的部署密度等因素進行分簇。

2）檢測周期的優化

為了提高檢測數據的實時性，需要減小檢測數據報告的周期，而頻繁發送檢測結果會提高節點的能量開銷，也容易造成網絡的擁塞，因此，需要根據網絡檢測需求進行檢測周期的優化。

3）節點部署密度的優化

節點的部署密度與待檢測的帶寬、節點的通信距離、感知能力等因素有關，需要基于這些因素，估計需要的部署密度。

4 結 論

針對寬頻段頻譜感知的需求，提出了一種面向頻譜感知的無線傳感器網絡架構，采用分簇的網絡結構、分頻段的協作感知機制和信息處理機制，實現對寬頻段頻譜感知的要求，分析了實現該系統的關鍵技術，為利用傳感器網絡進行頻譜感知提供了一種可選的方案。對于其中的分簇算法、融合算法、網絡部署等技術，需要進一步的研究。

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