无线认知电传感器网络研究

郎为民(1.解放军通信指挥学院，湖北 武汉 430010；2.华中科技大学电子与信息工程系，湖北 武汉 430074)

0 引言

无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内大量低成本、低功耗，具有感知、计算、数据处理和无线通信能力的微型传感器节点形成的一个多跳自组织网络，能够协作地完成实时监测和采集被监测对象的信息并对其进行处理，传送到需要这些信息的用户。WSN作为一种全新的信息获取和处理技术，在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、工业自动化等领域得到了广泛的应用，但也面临着诸多挑战。

一方面，现有的WSN都工作在无需授权的公用频段，这些公用频段正随着各种新的无线通信技术的兴起而日益拥挤。公用频段的异构无线系统共存问题已成为制约WSN发展的瓶颈。另一方面，传统的WSN所用频谱是固定分配的，且对于无线传感器节点来说，通信和处理资源相当有限，因而在一些特定的频谱资源使用较为紧张的环境(如战场电磁环境)中，传感器网络将很难正常工作。为解决这个问题，能够实现动态频谱接入的无线认知传感器网络(WCSN)应运而生。

WCSN[1-8]可以定义为“无线认知无线电传感器节点的分布式网络”。它建立在传统WSN的基础上，通过赋予无线传感器节点频谱感知、数据分析、参数调整等功能，使其成为认知节点。其工作过程为:认知节点和汇聚节点交互控制数据、频谱分配信息和路由信息等，之后认知节点感知事件信号，并在可用频段上以协同方式进行动态感知信息的交互，多跳上传感知结果给汇聚节点，由汇聚节点完成收集认知信息，进行频谱决策和传输控制。通过在WSN中实现认知无线电技术，WCSN不但能够缓解公用频段的拥挤状况，而且能够在降低WSN工作频率后拓展节点的单跳覆盖区域，从而大大简化网络拓扑结构。

1 WCSN体系结构

WCSN的典型体系结构如图1所示。它通常由基站、主用户、无线认知传感器节点、汇聚节点构成。主用户在授权频段与基站建立连接，无线认知传感器节点和汇聚节点则以机会方式实现频谱接入。根据频谱可用情况，传感器节点以机会方式将信息传送到下一跳，最终传输到具有认知无线电能力的汇聚节点。除了事件信息之外，无线认知传感器节点还可以与汇聚节点交换其他信息，包括群形成的控制数据、频谱分配、频谱已知的路由决策信息，这些信息通常与特定的拓扑结构密切相关。

图1 WCSN体系结构

1.1 WCSN节点硬件结构

典型的WCSN节点硬件结构如图2所示。与传统WSN节点相比，它增加了1个认知无线电收发器模块，该模块支持无线传感器节点动态调整载波频率、传输功率和调制方式等通信参数。同时，WCSN节点也继承了传统WSN节点的缺点，如计算速度、电源能量、通信能力和存储空间非常有限，这也限制了认知无线电部分功能在WSN中的发挥。

1.2 WCSN的优势

认知无线电技术在WSN中的应用，使得WCSN具备了诸多传统WSN所不具备的优势。

1.2.1 动态频谱接入

当前WSN部署采用的是固定频谱分配方法，且大多使用拥挤的未授权频段，这些频段同样也被其他设备所使用。同时，若采取租借授权频段的频谱，则会大大提高系统总体部署成本。WCSN通过采用机会频谱接入方法，可以实现与其他授权用户高效共享授权频谱，同时大大提高了频谱利用效率。

图2 无WCSN节点硬件结构

1.2.2 多种并发WSN的重叠部署

WCSN实现了动态频谱管理功能，它有利于空间上重叠的多个传感器网络高效共存。这样既优化了通信性能，又提高了资源利用率。

1.2.3 功耗自适应降低

无线信道的动态特性会造成功率消耗，这主要是由丢包和重传造成的。支持认知无线电功能的传感器节点可以自适应可变信道状态，提高传输效率，因而有助于降低用于传输和接收的功率。

1.2.4 有效解决猝发流量导致的问题

在传统的WSN中，当大量传感器节点检测到某个事件信息会生成猝发流量，并通过获取信道来传送这些信息。这势必会增加碰撞和分组丢失的概率，降低整体通信可靠性，提高通信过程中的功率消耗。WCSN由于实现了对多个信道的机会接入，可以有效地解决这一问题。

1.2.5 不同频谱策略下的通信

不同的国家或地区，其频谱管理制度不尽相同。在某个国家或地区可用的频段，在其他国家或地区可能会被禁用。具有认知无线电能力的WCSN可以有效地克服这些潜在的问题。

2 WCSN拓扑结构

根据应用需求，WCSN可采用Ad Hoc式、分簇式、异构分级式和移动式4种拓扑结构。

2.1 Ad Hoc式WCSN

Ad Hoc式WCSN拓扑结构如图3所示。在这种拓扑结构中，每个认知无线传感器节点的通信范围非常有限，路由一般都由多跳组成，数据通过多个认知无线传感器节点的转发，才能将信息传送给汇聚节点。这种拓扑对通信开销和控制数据要求较低。但因潜在的终端问题，频谱感知结果准确度不高。

图3 Ad Hoc式WCSN拓扑结构

2.2 分簇式WCSN

在WCSN中，通常需要为每个传感器节点分配1个公共控制信道，用于传输各种控制数据(如频谱感知结果、频谱分配数据、邻居发现和维护信息)。在整个WCSN范围内为每个传感器节点分配一个公共控制信道是不现实的，但在某个特定区域却是可以实现的。因此，要实现高效动态的频谱管理和公共控制信道分配，分簇式WCSN拓扑结构是一种比较理想的选择，如图4所示。

图4 分簇式WCSN拓扑结构

2.3 异构分级式WCSN

WCSN体系结构中可以包含具有高效能源或可再生能源的特定反应器节点，这些节点的通信能力、存储能力、计算能力比较强，能够协助WCSN完成一些复杂的感知数据处理工作，还可以承担一些其他任务(如本地频谱拍卖)。这些反应器节点具有较宽的传输范围，可用作中继节点，它们与其他无线认知传感器节点一起，形成了一种异构和分级拓扑结构。在这种WCSN中，既包含普通WCSN节点，又包含了高功率中继节点(反应器)，还包含了汇聚节点，如图5所示。

图5 异构分级式WCSN拓扑结构

2.4 移动式WCSN

如果构成WCSN的各种设备具备自由移动功能，则网络将会形成一个不断变化的动态拓扑结构，此时它面临的挑战性问题将会更多、更复杂。它要求资源受限的WCSN节点，能够实现移动性已知的动态频谱管理方案，且在设计认知无线电通信协议时，也要充分考虑到无线认知传感器节点的移动性。

3 WCSN的应用领域

由于WCSN引入了认知无线电技术，因而具备了传统WSN所无法比拟的优势，它是一种发展潜力很大的解决方案，未来将在多个领域得到应用和部署。

3.1 实时监视应用

在实时监视应用(如目标检测和跟踪)中，通常要求信道接入和通信时延最小化。在传统的WSN中，由于工作频段过于拥挤，导致这一目标事实上难以实现。同时，当无线传感器节点重新进行路由时，通信链路发生故障、控制信道状态恶化也会产生时延。

对于实时监视应用来说，WCSN中的传感器节点能够以机会方式接入可用信道，进而实现接入和端到端时延最小化。随着WCSN中新型时延敏感协同频谱感知、分配和路由算法的出现，实时感知应用的性能还可以进一步优化。此外，通过使用频谱切换功能，用于战术监控的WCSN不易受到截获和干扰的威胁。

3.2 多媒体应用

对于资源受限的无线传感器节点来说，由于多媒体对带宽的要求相当高，当信道状态不断发生变化时，使得以多媒体形式传输的事件特征可靠性和及时性受到一定限制。WCSN为传感器节点提供了一定自由度，它能够根据环境条件以及与应用有关的QoS要求(包括带宽、误码率、接入时延)，动态地改变接入信道。例如，当分组通过多跳进行传输时，每个中继节点会尽可能使用较高频率和数据速率，来提供所需的带宽。

3.3 室内感知应用

室内感知应用包括远程医疗、家庭监控、应急网络、工厂自动化等，通常需要在较小区域内部署大量传感器节点。这些节点一般使用未授权频段，如工业、科学和医疗(ISM)频段，这些频段是相当拥挤的。当丢包、碰撞和竞争时延存在时，要实现高效可靠的通信就面临着诸多挑战性。WCSN由于实现了机会频谱接入，因而很好地解决了这一难题。即使是在频谱资源紧张和用频设备拥挤的环境中，WCSN通过利用动态频谱管理的潜在优势，也能实现关键信息的可靠传输。

3.4 多级异构感知应用

在一些应用场景中，可能会出现多个WSN共存于同一区域的情况。由这些WSN节点采集的数据通过融合，可以为单项决策提供信息支持。同样，在单个WSN中，不同传感器节点可能部署在同一区域，对事件信号在多维空间内进行抽样，并采集被监控目标的音视频信息。由于WCSN实现了动态频谱管理功能，因而多级异构WSN可以进行重叠部署，并做到相互干扰最小。同时，通过多个WCSN之间的合作和协调频谱管理，可以提高单个传感器节点的性能，提升频谱资源的整体利用率。

3.5 无线应急网络

公共安全和应急网络是WCSN可以应用的一个重要领域，当发生自然灾害(如地震、洪水、雪灾等)，可能会对原有的通信基础设施造成毁灭性的破坏。通常需要在灾难现场部署多个应急无线网络(包括WSN)，此时各种通信设备和通信网络大量云集在狭小地域，必然造成频谱资源使用上的混乱。WCSN利用认知无线电的自我感知和自我协调能力，能够在紧急情况下，充分利用空闲的授权用户频谱资源，可靠地保障应急通信需要。

3.6 军事信息网络

认知无线电技术的自我感知和自我调整的特点，使得WCSN能够自适应地选择频谱，较好地适应战场复杂多变的电磁环境，并实现通信数据的安全传输，因而具有极高的军事应用价值。同时，WCSN和现有的军事无线通信系统共存，避免对现有通信系统的干扰，这一特性使得WCSN的快速部署成为可能。

4 结论

通过研究WCSN问题，可以为当前WCSN的研究和标准化工作做出贡献，这对于WCSN的成功实现和广泛部署是非常关键的。随着无线网络高速化、宽带化、异构化、泛在化趋势的加剧，预计未来10年内，将出现同一区域内多个不同应用目标WCSN与现有传统无线网络共存现象。由于频谱资源的紧缺，这些共存的网络会出现严重的频谱资源竞争，因而适时开展多级异构WCSN关键技术的研究是非常必要的。

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