認(rèn)知無線電思想在 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1 概 述
1．1 認(rèn)知無線電簡介
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線頻譜資源越來越貧乏，如何充分提高無線頻譜的利用率成為亟待解決的技術(shù)問題。認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)對此問題提出了一種新的解決思路，其主要思想是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”，并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空洞”的能力。
認(rèn)知無線電概念最早由瑞典的Joseph Mitola博士提出，是對軟件無線電(SDR)的進(jìn)一步擴(kuò)展。FCC(美國無線電委員會(huì))認(rèn)為，CR是能夠基于對其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無線電。研究當(dāng)前主要文獻(xiàn)可知，CR應(yīng)該具備進(jìn)行頻譜感知、頻譜分析、頻譜判決選擇的認(rèn)知功能，并且可以根據(jù)外部環(huán)境對自身的無線傳輸參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)重構(gòu)，以充分、合理地利用“空洞”，但不能對頻譜授權(quán)用戶造成有害干擾。
目前，CR實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜管理的方法主要有兩種：一種是采用OFDM技術(shù)，在不產(chǎn)生干擾的基礎(chǔ)上工作；另一種是采用超寬帶UWB技術(shù)，在低于某個(gè)預(yù)定的、可接受的干擾噪聲下進(jìn)行工作。這兩個(gè)方向的研究大都基于物理層對頻譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。事實(shí)上，研究工作不僅可以在物理層進(jìn)行，也可以在MAC層及其高層實(shí)施。在現(xiàn)有的幾大無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，如ZigBee、WLAN等，都基于多個(gè)不同頻率的信道。動(dòng)態(tài)地、智能地充分利用這些信道，可以使緊缺的無線頻譜資源得到更充分的利用。
1．2 傳統(tǒng)的Ad-hoc方式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其作用是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN通常選型為Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。
Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)一般有兩種結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)中所有的節(jié)點(diǎn)處在同一頻率，要依靠復(fù)雜的路由算法和網(wǎng)同步方法獲得信息的有效傳輸。分級結(jié)構(gòu)又可以分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)通信頻率，所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信。為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(同時(shí)屬于兩個(gè)簇的節(jié)點(diǎn))的支持。簇頭和網(wǎng)關(guān)形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)，稱為“虛擬骨干”。在多頻率分級網(wǎng)絡(luò)中，不同級采用不同的通信頻率。低級節(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級節(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍。高級節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級中，有多個(gè)頻率，用不同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級的通信，但同一級內(nèi)仍使用相同頻率。
以上這些同級同頻多跳的組網(wǎng)方式需要復(fù)雜的同步、路由算法的支持，為開發(fā)人員帶來很多不便。同頻多跳方式還會(huì)造成相鄰節(jié)點(diǎn)無線信號的相互干擾，而且傳統(tǒng)的同級單頻多跳的組網(wǎng)方式并沒有發(fā)揮出現(xiàn)代無線芯片可以支持多個(gè)不同頻率信道的優(yōu)勢，造成了可用信道的閑置和浪費(fèi)。從認(rèn)知無線電的角度出發(fā)，傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式在特定時(shí)間內(nèi)存在較大“頻譜空洞”。

2 在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
2．1 認(rèn)知無線電在ZigBee技術(shù)中應(yīng)用的可能性
ZigBee是一種新興的短距離、低功率、低速率無線接入技術(shù)。IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)為ZigBee的發(fā)展制定了規(guī)范。ZigBee雖然具有低的傳輸速率，但具有約100m的傳輸距離和極低的功率消耗，大多數(shù)時(shí)間處于睡眠模式，更加適用于低功耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
為了分析ZigBee技術(shù)中認(rèn)知無線電的應(yīng)用前景，對當(dāng)前流行的ZigBee芯片的射頻應(yīng)用支持情況加以分析。
如圖1所示，為了避免干擾，IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的物理層采用了3個(gè)頻段：北美采用的2．4 GHz ISM頻段和915 MHz頻段，以及歐洲采用的868 MHz頻段。故而IEEE 802．15．4提供兩種物理層的選擇(868／915 MHz和2．4 GHz)。每個(gè)頻段的規(guī)范略有不同。2．4 GHz ISM頻段總共有16個(gè)不同的信道，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kb／s；915 MHz頻段有10個(gè)信道，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為40kb／s；而868 MHz頻段只有1個(gè)信道，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kh／s。