面向電磁頻譜監測的無線傳感器網絡

趙賓華 楊國瑞

摘要：無線電頻譜資源是一種有限的、重要的國家戰略性資源。在通信技術和網絡技術高度發展的今天，人類對無線頻譜資源的需求急劇膨脹，為保證頻率資源的合理利用，有效地進行電磁頻譜監測成為國家重要的研究課題。利用無線傳感器網絡進行頻譜監測是該技術一個重要研究熱點。在闡述電磁頻譜監測現狀和電磁頻譜監測意義的基礎上，提出面向電磁頻譜監測的無線傳感器網絡總體架構和協議體系，闡述了各層的功能并對路由和協議進行了重點描述；介紹了節點功能的實現思路，闡述了硬件和軟件的實現方案。

關鍵詞：電磁頻譜監測；分布式頻譜監測；無線傳感器網絡；頻譜感知

中圖分類號：TN212文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）15-54-4

0引言

電磁頻譜是電磁空間的重要資源，科技與社會的發展促進了無線射頻技術的廣泛應用，人為的電磁信號發射使得電磁空間變得擁擠和復雜[1]，如何對頻譜信號進行靈活和有效的監管是困擾運營商的難題。在軍事應用中，從如何避免多種裝備電磁相互干擾和頻譜重疊出發，進而到抵御外軍的電磁頻譜監測攻擊和電磁殺傷[2]等，都對空間信號監控提出了新的需求。傳統的無線電頻譜監測多為單點式或集中式的臺站監測，這些部署方式與電磁空間寬廣的屬性不一致，使其在應用上受到很大局限。隨著物聯網技術的發展，利用無線傳感器網絡進行電磁頻譜信號的分布式監測的應用模式應運而生，頻譜信號監測正在逐漸向基于低成本傳感器協作網絡構建的區域性頻譜綜合監測的方向演進[3-4]。

ZigBee協議是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率和低成本的雙向無線通信技術，最大組網規模用戶數可達65 536個，是無線傳感器網絡大規模組網的最佳選擇，ZigBee工作于868 MHz，915 MHz，2.4 GHz三個頻段，傳輸速率為10～250 KB/s，傳輸距離為10～75 m，ZigBee協議架構緊湊簡單，實現要求低[5-7]；WiFi是一種小范圍無線傳輸技術，可以支持幾百米范圍內的無線信號接入，具備傳輸速率高和覆蓋范圍廣的優點，可以與ZigBee互為備份，確保傳感監測網絡的近距離通聯。但是，ZigBee和WiFi是近程無線傳輸技術，需要高可靠性和傳輸速率適當的遠程通信手段，才能實現頻譜監測數據的大跨距傳輸。中國移動基于TD-LTE標準建成國內最大規模的4G移動通信網絡，提供了一個良好的遠距離無線傳輸平臺，ZigBee、WiFi與TD-LTE技術結合，能實現廣大地域內頻譜監測節點向頻譜監測中心上報監測數據。

1傳感器網絡電磁頻譜監測系統架構

傳感器網絡電磁頻譜監測系統采取分頻段監測、分級匯總和告警上報相結合的工作模式，采用基于集中配置管理和處理的分級分布式傳感器網絡總體構架，分為電磁頻譜感知層、信息匯聚層和信息處理中心層3級，系統各節點配置不同的通信模塊，其中，電磁頻譜感知層節點配備ZigBee通信模塊，信息匯聚層節點配備WiFi和ZigBee通信模塊，信息處理中心層節點配備TD-LTE和WiFi通信模塊，采用感知無線電技術，實現節點間電磁頻譜感知共存下的無線傳輸和組網，在系統完成頻譜監測融合處理后，信息處理中心通過移動通信網絡TD-LTE上報頻譜監測中心，系統體系架構如圖1所示。

各層功能如下：

（1）電磁頻譜感知層

由各頻譜感知節點構成，電磁頻譜感知節點設備負責信號的檢測、識別分類和特征提取。頻譜傳感器完成特定頻段信號的監測，通過網絡協同工作以滿足整個頻段的信號監測要求。多個頻譜感知節點組成Ad Hoc的監測子網，子網內的感知節點可以通過ZigBee傳輸監測數據，頻譜感知節點完成信號監測后，通過ZigBee將監測結果傳送到信息匯聚節點。

（2）信息匯聚層

由多個傳感器網絡匯聚節點構成，匯聚節點具有一定程度的信息處理和傳輸能力，實現區域內頻譜上報數據的聚合和管理，完成各種應用的實時處理、融合處理或存儲處理。信息匯聚層對上通過TD-LTE和WiFi接入信息中心，對下可通過ZigBee接入多種電磁感知節點，通過TD-LTE和WiFi保障監測數據向信息中心傳輸。

（3）信息處理中心層

包括單個或多個信息處理中心節點，負責整個頻譜監測系統的配置管理，提供分布式數據聚合和信息融合的能力，支持協同信號識別分類、定位和跟蹤功能。信息中心節點通過TD-LTE和WiFi等方式與多個匯聚節點連接，通過有線或TD-LTE接入到頻譜監測中心。系統可根據需要，由多個信息中心構成分布式信息處理平臺，完成電磁頻譜監測信息的查詢和發布。

2協議體系結構

協議體系可分為組網協議棧、資源管理控制協議、應用服務協議和支撐服務等部分，如圖2所示，組網協議棧主要包括物理層、媒體接入層、網絡層和傳輸控制層，利用跨層信息的交互實現整體網絡系統的性能改善，實現對監測數據的實時或近實時的QoS高效傳輸；資源管理控制統籌考慮業務傳輸需求和網絡資源實際情況，實現上層業務數據與網絡傳輸能力的最佳匹配，提供優化的資源配置和管理功能；應用服務協議主要面向頻譜信號識別、定位跟蹤及頻譜態勢等應用，提供接口調用，滿足用戶的訂閱需求；支撐服務主要包括時間同步和節點定位，其中時間同步為各類節點提供統一工作時鐘精度，支撐頻譜監測數據融合處理，節點定位用于提供各類電磁頻譜感知節點、匯聚節點的位置信息，確保頻譜監測位置數據的準確性。

（1）分簇方式

電磁頻譜監測采用分層處理與傳送機制，感知節點將監測到的數據通過匯聚節點傳送到信息中心。在監測過程中，無線傳感器網絡根據各感知節點接收各個匯聚節點信號的強弱程度劃分為多個簇。首先，匯聚節點周期性地廣播報文消息REQ，以宣示自己作為簇首節點的存在，每個感知節點認為發來報文REQ最早的匯聚節點信號最強，并回復該匯聚節點ACK報文，匯聚節點收到ACK之后則將該感知節點加入到自己的簇成員列表中。匯聚節點周期性地廣播報文消息REQ，即使網絡拓撲或網絡所處環境發生變化對無線通信造成影響時，每個周期的開始都使整個網絡簇內通信處于最優階段。

（2）路由與協議

系統采用被動模式與主動模式結合的路由方法。簇內采用主動式路由協議，在簇建立完成后，每個感知節點只和自己的簇首通信，路由表只保留簇首的地址。簇首則通過各感知節點回復的ACK報文記錄其簇內成員地址，在自己的路由表中記錄下來，并通過周期性廣播泛洪報文REQ使路由列表得到更新。

當有監測任務時，簇首直接在自己的路由列表中選擇感知節點的地址，通知其執行頻譜監測；簇間通信過程中，選擇反應式的AODV作為組網協議，通過多跳傳輸將監測數據上報到信息中心節點。當感知節點將監測到的頻譜數據傳回自己的簇首匯聚節點后，匯聚節點需要將頻譜數據傳送到信息中心進行數據融合，此時匯聚節點發起泛洪報文RREQ尋找信息中心節點的存在，當信息中心節點或者擁有信息中心節點路由的匯聚節點收到該報文RREQ后，發送RREP到路由發起節點，發起節點對收到的RREP消息進行確認，防止出現路由環路。此時，多跳模式路由建立完成，可以完成匯聚節點到信息中心節點的通信。因此，感知節點監測到的頻譜數據通過簇內和簇間通信傳送到信息處理中心。

3節點功能實現

主要包括電磁頻譜感知節點和信息匯聚節點功能的實現。

3.1電磁頻譜感知節點功能實現

（1）硬件功能實現

電磁頻譜感知節點硬件主要包括頻譜監測模塊、控制處理模塊、通信模塊和支撐模塊（包括電源、時鐘同步等）等，如圖3所示。

頻譜監測模塊接收空間的電磁波能量轉換為電信號，濾波后通過該模塊的射頻調諧器實現信號的變頻和放大，最后通過采樣和識別單元完成信號采樣，獲取信號屬性的原始數據，完成信號搜索、分析和參數測量。控制與數據處理模塊主要由控制與數據處理單元、程序存儲器、數據存儲器和調試接口單元等部分組成。無線接入通信模塊主要包括射頻收發模塊、天線與放大器。電源模塊負責給各硬件模塊供電，以保證節點的正常工作。時鐘模塊主要提供節點設備內部的工作時鐘，完成時鐘精確同步功能。

（2）軟件功能實現

電磁頻譜感知節點設備的軟件組成如圖4所示，包括配置管理軟件、監測數據處理軟件、電磁頻譜監測軟件、無線接入通信軟件和系統支撐軟件等。

配置管理軟件完成系統工作方式的管理、工作模式等參數配置、功耗管理、同步定位管理和外部接口的命令處理分析，并負責向匯聚和中心節點發送響應和狀態上報消息。監測數據處理軟件完成讀取數據封裝發送。電磁頻譜監測軟件完成電磁信號的獲取和特征提取。無線接入通信軟件包括路由組網軟件和信道接入層軟件；系統支撐軟件包括系統維護、操作系統、硬件驅動等。

其中，操作系統選用TinyOS，設計的主要目標是代碼量小、耗能少、并發性高及魯棒性好，可以適應不同的應用。頻譜傳感器節點對其內存大小、電源容量等硬件平臺有嚴格的要求，TinyOS可以最大限度地減少應用所需的硬件資源，提高特定任務的實時性[8]。TinyOS的組件層次結構如同一個網絡協議棧，底層的組件負責接收和發送最原始的數據位，而高層的組件對這些數據進行編碼和解碼，更高層的組件負責打包、路由和數據傳輸[9]。

3.2匯聚節點功能實現

（1）硬件功能實現

匯聚節點硬件功能組成如圖5所示，與感知節點硬件實現基本一致，不同之處在于頻譜監測模塊不包含電磁波頻譜監測模塊，只包含信道監聽模塊。

匯聚節點設備的頻譜監測模塊僅用于通信頻帶的電磁頻譜監測，并根據監測結果確定本節點通信信道；無線接入與通信模塊包含2套無線模塊，分別用于與信息中心和電磁感知節點的通信；電源模塊負責給節點上的各硬件模塊供電，以保證節點的正常工作；時鐘模塊完成時鐘精確同步功能。

（2）軟件功能實現

匯聚節點設備的軟件包括配置管理軟件、監測數據處理軟件、頻譜數據融合軟件、無線接入通信軟件和系統支撐軟件等，如圖6所示。