無線傳感器網絡節能專利技術綜述

高利軍

(山西省科學技術情報研究所，山西 太原 030001)

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綜述與評論

無線傳感器網絡節能專利技術綜述

高利軍

(山西省科學技術情報研究所，山西 太原 030001)

摘要:介紹了無線傳感器網絡的專利申請態勢，并基于專利申請以網絡分層模型的形式梳理了無線傳感器網絡節能專利技術的各技術分支和典型專利技術，重點描述了針對數據傳輸的節能專利技術，并繪制了節能專利技術分支圖，可以為相關領域的技術人員利用專利技術綜述全面了解背景技術，理解技術實質并洞悉專利技術發展趨勢提供幫助。

關鍵詞：無線傳感器網絡； 節能； 網絡分層模型； 綜述

0引言

隨著無線通信和分布式處理等技術的快速發展，無線傳感器網絡引起了人們的極大關注[1]。無線傳感器網絡集傳感器技術、嵌入式計算技術及無線通信技術于一體，在國防軍事、環境監測、城市管理、醫療衛生、工農業、反恐和救災等領域都具有潛在的使用價值，成為當前的研究熱點之一[2]。

以美國為代表的發達國家對無線傳感器網絡非常重視，美國各類雜志相繼將其列入重要的未來新興技術[3]。該技術在美國的專利申請數呈逐年遞增態勢，從2002～2007年始終保持高速增長，2008年至今增速有所放緩，但每年仍舊保持平穩增長，表明該領域技術活躍度非常高。從地域上看，向美國申請專利的來源國排名前三是美國、日本和韓國。從申請人來看，領先的5個公司分別是：三星電子株式會社、摩托羅拉公司、皇家飛利浦電子股份有限公司、霍尼韋爾國際公司和日本電氣株式會社(NEC)。

我國的無線傳感器網絡及其應用研究幾乎與發達國家同步啟動,但真正大規模研發開始于2004～2006年，期間專利申請開始穩步增長。2006年，無線傳感器網絡作為重大專項、優先發展主題、前沿領域被列入《國家中長期科學與技術發展規劃(2006～2020)》，并成為重大專項“新一代寬帶移動無線通信網”的重要方向之一。從2007年起專利申請呈現爆發性增長態勢，發明專利授權量也顯著增加。從地域來看，向中國申請專利的來源國主要是中國、美國、日本和韓國;從申請人來看，排名靠前的主要是國外大型企業和國內的科研院所，顯示出目前我國對于無線傳感器網絡集中于理論研究，缺少相應的實踐應用研究。

1無線傳感器網絡節能專利技術分支

無線傳感器網絡中的傳感器節點體積微小，攜帶的電池能量十分有限，而其部署區域環境復雜，有些區域甚至人無法到達，重新充電或更換電池在大多數部署環境中幾乎是不可能的。因此，如何高效使用能量來最大化網絡生存周期是傳感器網絡的核心問題。通過在德溫特專利數據庫中進行檢索，可以發現在該領域中有關節能技術的專利申請占全部專利申請的1/3以上，可見節能相關技術是該領域中一個非常重要的研究方向。

傳感器節點一般包括數據采集模塊(傳感器、A/D轉換器)、數據處理模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發器)和供電模塊(電池、AC/DC轉換器)等[4]。數據采集模塊的能耗遠遠小于數據處理模塊和通信模塊的能耗，現有的節能專利技術主要針對數據處理和數據傳輸。基于對專利申請和本領域相關技術的分析對節能專利技術進行技術分解，繪制出如圖1所示的節能專利技術分支圖，將針對數據處理的節能技術分成兩個方面，分別是硬件和軟件，而與開放式系統互聯OSI分層模型類似，將針對數據傳輸的節能技術分成物理層、MAC層、網絡層和應用層四個方面。數據傳輸的能耗要大于數據處理的能耗，因此,針對數據處理的節能技術的節能效果不如針對數據傳輸的節能技術有效。下面主要介紹針對數據傳輸的節能技術。

1.1針對數據傳輸的節能技術

1.1.1物理層

物理層直接影響到發射接收電路的復雜度和能耗，研究的目標是以相對較低的功耗克服無線傳輸的損傷，設計出能獲得較大鏈路容量的網絡。物理層的研究主要包括接收檢測、功率控制、頻段選擇和抗干擾等。

接收檢測的典型技術是分集技術，通過混頻器將接收信號分成多個信道，分別對多個信道進行低通濾波、自動增益控制、A/D轉換和并行處理，提高信號檢測靈敏度，從而降低節點的功耗(GB 2458908A，2009—10—7，CASTLE)。

功率控制是指節點在無線通信中選擇最恰當的功率發送數據以有效降低自身能耗，包括直接設置和接收端反饋。直接設置包括廣播多個不同的發射功率級別消息，每個消息以相應的發射功率級別發射；接收消息的節點按照接收的消息中最小的發射功率級別來設置其發射功率級別(US 2010142425A1，2010—6—10，財團法人工業技術研究院)。接收端反饋是在沒有獲得接收端反饋時，發射節點以最大功率發送數據，接收節點接收數據時計算無線信號強度指示值，將其包括在反饋信號中反饋給發射節點，發射節點根據接收的指示值調整發射功率級別，并按調整后的發射功率級別發射數據(US 2009168677A1，2009—7—2，韓國D&S技術株式會社)。

圖1　節能專利技術分支圖Fig 1　Branch diagram of patent technologies for energy saving

在傳感器網絡中傳輸數據時合理地選擇頻段，可以有效地改進數據傳輸的誤比特率并減少重傳，從而節約節點的功耗，包括對節點間傳輸數據的各個頻段的功率譜密度進行周期性的測量，基于測量的結果選擇適于可靠傳輸的頻段進行數據傳輸(WO2010092152A1，2010—8—19，空中客車營運有限公司)。

在抗干擾方面，嚴重衰落信道下的發射機可以對數據應用非二進制和/或二進制的碼片交織技術，這樣即使降低發射功率也能達到可以接受的誤比特率，因此，減少了需要的信號噪聲比，保護了碼片序列的正交性，改進了節點的能效(WO2012121614 A1，2012—9—13，奧克蘭聯合服務有限公司)。

1.1.2MAC層

MAC層為相互競爭的節點分配無線資源，是關系網絡性能的關鍵技術[5]。通過設計有效的MAC協議，控制各個節點公平、有效地訪問無線信道，可以降低整個網絡的能耗。MAC層的研究集中在干擾規避、用戶調度和休眠喚醒機制，其中從時間上看干擾規避出現較早，而從地域上看韓國申請人具有一定的優勢。

干擾規避是共享信道前提下保證用戶信噪比的有效方法。使用干擾規避后，節點只要對正在進行的傳輸不構成沖突，便可進行數據傳輸。干擾規避可以通過跳頻技術來實現(US2005275530A1，2005—12—15，L·卡特斯)。干擾規避也可以通過發送信標來實現，節點通過發送信標來確定該時間在信標周期中是否安全，以有效避免信標碰撞，減少不必要的信標發送帶來的功耗(US2006104251A1，2006—5—18，三星電子株式會社)。

用戶調度是根據一定的規則為各個用戶節點分配各自的工作時隙，使不同的用戶節點占據不同的時隙，包括集中調度和預留調度，這兩種方法都是以時分多址(TDMA)為主要手段。集中調度首先出現，包括基于信道質量為多個節點分配時隙，確定每個節點的電量和所有節點的平均電量之間的差，如果差高于閾值，則為相對于其他節點具有更高電量的節點分配更多的時隙(US2008212557A1，2008—9—4，摩托羅拉公司)。預留調度是先通過信令消息預留時隙然后在預留的時隙發射消息，如在第一周期從一個節點接收預留信息，基于第一周期中的預留信息在該節點上廣播信道分配信息，使得該節點在第二周期執行數據傳輸(US2010142497A1，2010—6—10，韓國電子通信研究院)。

節點在發射數據及空閑偵聽時會消耗大量電力，因此,合理地設計休眠喚醒機制可以減少數據發射時間并增加休眠時間，從而顯著降低節點的功耗。休眠喚醒機制包括喚醒機制和預定機制。對于喚醒機制，可以在節點中使用喚醒設備，通過喚醒設備接收和檢測喚醒信號，從喚醒信號中檢測喚醒地址，并且對該喚醒地址與從管理該節點的服務器提供的喚醒地址進行比較和驗證，若驗證通過，則該喚醒設備輸出喚醒信號(KR20090065152A，2009—6—22，韓國電子通信研究院)。對于預定機制，可以對節點設置預定休眠頻率和休眠時間，經過該休眠時間后，喚醒預定節點，對通信信道進行探測：當發現有數據要發送時，則發送數據；當發現通信信道中存在預定導引頭數據時，則先接收數據，然后再發送數據；當未發現存在預定導引頭數據，且未發現有數據要發送時，則繼續進入休眠狀態(CN102833828A，2012—12—19，美新微納傳感系統有限公司)。

1.1.3網絡層

網絡層協議主要負責數據路由。數據路由用于將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點。合理地設計路由協議能高效地利用能量，達到延長網絡生存期的目的。路由協議可以分為平面路由協議和分層路由協議兩種[6]，其中平面路由協議的出現早于分層路由協議，在平面路由協議方面，日本申請人占據一定的優勢，而在分層路由協議方面，則是歐美申請人較為主動。

平面路由協議是指在路由過程中，所有節點的地位是相同的，按照相同的策略進行路由發現和數據轉發。通常根據一些度量指標來選擇路由，如使用最小跳數，各個節點以固定時間間隔交換路徑信息，從可訪問的節點獲得跳數信息，選擇可以使其跳數最小的可訪問節點作為下一跳連接目的地，從而節約消息轉發中的能耗(JP2001237764A，2001—8—31，日本電信電話株式會社)。

然而，在上述最小跳數路由方法中由于節點間周期性的交換路徑信息，節點能耗仍然比較大。因此，日本電氣株式會社提出了一種改進技術，包括基站向多個節點傳送檢測信號；接收到檢測信號的每個節點傳送檢測響應信號，并作為針對另一節點的檢測信號，每個檢測響應信號均包括節點標識符；接收到來自節點的檢測響應信號之后，基站根據其中的標識符，將該節點識別為屬于該基站的節點；在下游節點從上游節點接收到檢測響應信號的情況下，下游節點向上游節點傳送檢測響應信號；當從下游節點接收到檢測響應信號時，上游節點向基站傳送表示該下游節點的標識符，由此減少了節點之間的頻繁信息交換，降低了網絡的能耗(JP2005094530A，2005—4—7，日本電氣株式會社)。

不同于平面路由協議，分層路由協議中各節點在網絡中分別扮演不同的角色。霍尼韋爾國際公司首先提出了基于能量感知的分層路由方法，包括將節點按一定規則分成多組，其中每組都有一個節點作為網關用于將該組每個節點的數據轉發到控制節點，然后在每個網關建立全組的路由表，且在每個節點建立相對較小的路由表，接下來監測每個節點的可用能量，最后根據每個節點的可用能量的變化來相應地重新建立前述的路由表(US2003063585A1，2003—4—3，霍尼韋爾國際公司)。分層路由也叫分簇路由，具有可擴展性強、能量利用高效、數據融合簡單等優點[7]。

雖然上述的分層路由協議一定程度地降低了每組節點的能耗，但由于每組節點都有一個節點作為網關來協調該組全部的工作，如果網關被損壞會對該組乃至整個網絡的能效造成很大的影響。因此，皇家飛利浦電子股份有限公司提出了為節點尋找備份節點的方法。首先，確定該節點處于待備份狀態，即該節點電量低于預定值，然后，在該待備份節點的多個鄰近節點中確定一個代理節點，由該代理節點代表該待備份節點來尋找備份節點。由此待備份節點不需要自己去和大量節點進行通訊來尋找備份節點，可以使網絡在最大限度地延長節點壽命和不影響該網絡能效之間取得更好的平衡(WO2006061735A2，2006—6—15，皇家飛利浦電子股份有限公司)。

分層路由的關鍵在于分組或分簇的確定，根據網絡環境的變化動態改變分組或分簇，可以有效改善整個網絡的能效。摩托羅拉公司對分層路由協議進行了改進，可以根據節點電量對節點重新進行分組，包括確定每個節點的電量和所有節點的平均電量之間的差，如果差高于閾值，則對該多個節點重新進行分組，以使所有節點組上的平均電量的變化最小化(US2008211666A1，2008—9—4，摩托羅拉公司)。

2結論

從20世紀末開始，伴隨短距離通信和微機電系統等技術的應用逐漸形成的無線傳感器網絡正處于高速發展階段，作為重要技術構成的無線傳感器網絡節能技術的發展

也很迅速。本文基于對專利申請和本領域相關技術的分析對無線傳感器網絡節能專利技術進行了技術分解，繪制出了無線傳感器網絡的節能專利技術分支圖，根據網絡分層模型梳理了各個主要技術分支及相關技術分支下的代表專利技術，并重點介紹了針對數據傳輸的節能技術，可以為相關領域的技術人員全面了解背景技術，理解技術實質并洞悉專利技術發展趨勢提供幫助。

參考文獻:

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[2]張馨,喬曉軍,劉恩，等.無線傳感器網絡技術研究[J].農機化研究,2006(4):57-62.

[3]WeiserM.Thecomputerforthetwenty-firstcentury[J].Scienti-ficAmerican, 1991, 265(3): 94-104.

[4]WangA,ChandrakasanA.Energy-efficientDSPsforwirelesssensornetworks[J].IEEESignalProcessingMagazine,2002,19(4):68-78.

[5]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005:76-123.

[6]LiuY,ChenX,LongC,etal.Improvementofhierarchicalroutingalgorithmforheterogeneouswirelesssensornetworks[J].JournalofComputationalInformationSystems,2012,8(10):4143-4150.

[7]BoyinbodeO,HanhL,MboghoA,etal.Asurveyonclusteringalgorithmsforwirelesssensornetworks[C]∥Proceedingsof2010 13thInternationalConferenceonNetwork-BasedInformationSystem,Takayama:IEEE,2010:358-364.

Survey on patent technologies of wireless sensor networksfor energy saving

GAO Li-jun

(Institute of Scientific & Technical Information of Shanxi Province,Taiyuan 030001,China)

Abstract:Patent application state of wireless sensor networks(WSNs)is introduced,various technology branches and typical patent technologies of WSNs for energy saving are tidied up based on patent applications in form of network hierarchical model,patent technologies for saving energy aiming at data transmission are described especially,and a branch diagram of patent technologies for energy saving is drawn,thereby provide helps to person skilled in the art for learning background technology entirely,understanding technical essential,and discerning patent technology developing trend by using the technology survey.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); energy saving; network hierarchical model; survey

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0001—03

收稿日期：2015—09—14

中圖分類號：TN 919

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0001—03

作者簡介:

高利軍(1982 -)，男，山西忻州人，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網絡。