面向頻譜感知的傳感器網絡設計

摘要：針對認知無線電網絡、頻譜監(jiān)測等領域對寬頻段頻譜感知的需求，基于無線傳感器網絡的特點，提出了一種面向頻譜感知的傳感器網絡設計方案，包括分簇的網絡結構、分頻段的協(xié)作感知機制以及感知結果的協(xié)作處理機制，分析了實現(xiàn)這種方案的關鍵技術，為利用傳感器網絡進行寬頻帶協(xié)作頻譜感知提供了一種可選的方案。
關鍵詞：傳感器網絡；頻譜感知；分簇

隨著無線通信技術的發(fā)展和無線通信業(yè)務需求的增加，無線城域網、無線局域網、無線個域網、移動Ad Hoe網絡等各類無線通信網絡的數(shù)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(xiàn)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(Natio nal Telecommunications and Information Administration．NTLA)公布的頻譜分配圖，可分配的頻段已經面臨枯竭。1999年，Joseph Mit ola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?；贑R的這種能力，可以實現(xiàn)對空閑頻譜的動態(tài)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(jié)點獨立或者協(xié)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(xiàn)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(huán)境地圖(Radio Environment Map，REM)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(xiàn)基于認知無線電網絡進行動態(tài)頻譜利用的重要途徑。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(huán)境狀況對國家安全、地區(qū)維穩(wěn)具有重要的意義。而目前的頻譜監(jiān)測手段主要基于單節(jié)點、有線傳輸?shù)姆绞剑O(jiān)測范圍有限，無法實現(xiàn)全時空、全頻譜監(jiān)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(jié)點，通過無線方式相互連接、共同完成特定任務的網絡。網絡以自組織的方式工作，具有可靠性、抗毀性高的優(yōu)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(jiān)控是動態(tài)頻譜管理、頻譜監(jiān)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(zhàn)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”，研究通過布設大量節(jié)點的傳感器網絡收集戰(zhàn)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(huán)境地圖，以收集頻譜信息、監(jiān)管制度、無線設備功能以及區(qū)域用頻經驗等信息，對工作在該地區(qū)的動態(tài)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。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。這些項目和文獻研究了基于傳感器網絡的協(xié)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(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點(sink node)和管理節(jié)點組成，如圖1所示。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域(sensor field)內部或附近，通過自組織的方式進行協(xié)作。節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據通過多跳轉發(fā)傳輸，在傳輸過程中可能經過不同節(jié)點的處理，到達匯聚節(jié)點的數(shù)據通過互聯(lián)網或者衛(wèi)星到達管理節(jié)點。網絡管理者通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據。

傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，每個節(jié)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(jié)點同時具有傳統(tǒng)網絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了對區(qū)域的信息收集和數(shù)據處理之外，還要對其他節(jié)點傳送的數(shù)據進行存儲、管理和融合等處理。由于傳感器節(jié)點能力的限制，單個節(jié)點難以完成任務，對單項任務的監(jiān)測需要通過多個傳感器節(jié)點協(xié)作完成。
匯聚節(jié)點(sink node)也叫網關節(jié)點，通常為一個功能增強的傳感器節(jié)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(xié)議棧之間的協(xié)議進行相互轉換，將網絡所獲知的數(shù)據轉發(fā)給外部網絡。匯聚節(jié)點獲得的數(shù)據通過互聯(lián)網或者衛(wèi)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(jiān)測任務的下發(fā)、網絡的管理通過上述過程的逆過程實現(xiàn)。
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(jié)點組成的、采用無線通信方式的、動態(tài)組網的多跳對等網絡，通過動態(tài)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(jié)點一般假定具有持續(xù)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(tǒng)，節(jié)點數(shù)目一般更為龐大，節(jié)點分布更為密集，節(jié)點通常固定不動，但由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障。網絡環(huán)境的變化和節(jié)點的低可靠性容易造成網絡拓撲的變化。由于傳感器節(jié)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(tǒng)網絡的重要區(qū)別之一。
無線傳感器網絡的特點可以總結如下：
1)大規(guī)模自組織網絡
在監(jiān)測區(qū)域，為了獲取精確信息，通常部署大量傳感器節(jié)點，在很大的地理區(qū)域內，傳感器節(jié)點數(shù)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(jié)點出現(xiàn)問題而導致網絡不可用的或通信中斷的現(xiàn)象。
在網絡應用中，傳感器節(jié)點通常情況下被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節(jié)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(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據的多跳無線網絡系統(tǒng)，能夠適應傳感器網絡中的節(jié)點個數(shù)動態(tài)地增加或減少的動態(tài)變化。
2)動態(tài)性可靠網絡
當環(huán)境條件變化或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)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(tǒng)可以動態(tài)重構，以保證其正常的工作效能。而且傳感器節(jié)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，其軟硬件具有魯捧性、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(jié)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(shù)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(jié)點的通信距離很短，一般只有幾十米，甚至更短。
5)以數(shù)據為中心的網絡
無線傳感器網絡是一個以數(shù)據為中心的網絡。在無線傳感器網絡中，多跳路由是基于數(shù)據為中心的路由，傳感器網絡節(jié)點沒有一個全局性的標識，如IP地址。每個節(jié)點僅僅知道自己鄰近節(jié)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(jié)點沒有任何意義。傳感器網絡是通過相鄰節(jié)點之間的相互協(xié)作來進行信號處理和通信，具有很強的協(xié)作性，而且數(shù)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(jié)點向查詢節(jié)點匯聚。

2 面向頻譜感知的傳感器網絡系統(tǒng)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(jié)提出一種面向頻譜感知的傳感器網絡系統(tǒng)架構，包括分簇的網絡結構、分頻段的協(xié)作感知機制和協(xié)作的檢測處理機制。
2．1 分簇網絡結構
由于需要監(jiān)測的頻段很寬，需要部署的節(jié)點很多，網絡采用分簇結構，如圖2所示。節(jié)點通過自組織的方式分成不同的簇；每個簇內節(jié)點通過協(xié)同檢測提高精確度，簇首節(jié)點通過多跳轉發(fā)將檢測結果傳送到匯聚節(jié)點。這種方式可以減少網絡中節(jié)點的信息傳送數(shù)量，從而降低節(jié)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(shù)，從而避免長的通信路徑導致的數(shù)據包丟失概率增大，網絡性能下降等缺點。