摘要：針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)、頻譜監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)掝l段頻譜感知的需求，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了一種面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，包括分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分頻段的協(xié)作感知機(jī)制以及感知結(jié)果的協(xié)作處理機(jī)制，分析了實(shí)現(xiàn)這種方案的關(guān)鍵技術(shù)，為利用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行寬頻帶協(xié)作頻譜感知提供了一種可選的方案。
關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；頻譜感知；分簇

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的增加，無(wú)線城域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、移動(dòng)Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)等各類(lèi)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量快速增長(zhǎng)，無(wú)線通信技術(shù)成為信息社會(huì)的基石。利用有限的頻譜資源為用戶(hù)提供高質(zhì)量的無(wú)線服務(wù)，一直是無(wú)線通信領(lǐng)域的研究目標(biāo)。目前，對(duì)頻譜的有效感知成為實(shí)現(xiàn)有效的頻譜管理、保證頻譜合理利用的基礎(chǔ)。
作為一種有限的資源，無(wú)線頻譜的稀缺問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，成為制約無(wú)線應(yīng)用的重要瓶頸。根據(jù)2003年美國(guó)國(guó)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(jīng)面臨枯竭。1999年，Joseph Mit ola博士提出了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)(Cognitive Radio，CR)，CR可以使用戶(hù)感知、識(shí)別并且靈活地接入空閑頻段。基于CR的這種能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空閑頻譜的動(dòng)態(tài)利用，為提高頻譜利用率、解決頻譜稀缺問(wèn)題提供了可能。在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Networks，CRN)中，通過(guò)節(jié)點(diǎn)獨(dú)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(shí)間開(kāi)銷(xiāo)較大，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜感知，也會(huì)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(wǎng)絡(luò)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)提供可用頻譜信息、地理特征、用頻經(jīng)驗(yàn)等支持，是實(shí)現(xiàn)基于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜利用的重要途徑。此外，隨著電子信息技術(shù)在公共安全和軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，全面掌握各個(gè)頻段的電磁環(huán)境狀況對(duì)國(guó)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(cè)手段主要基于單節(jié)點(diǎn)、有線傳輸?shù)姆绞剑O(jiān)測(cè)范圍有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全時(shí)空、全頻譜監(jiān)測(cè)能力。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由具有通信、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線方式相互連接、共同完成特定任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)以自組織的方式工作，具有可靠性、抗毀性高的優(yōu)點(diǎn)，并且部署靈活、成本較低。因此，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻譜感知與監(jiān)控是動(dòng)態(tài)頻譜管理、頻譜監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。美國(guó)國(guó)防部很早就啟動(dòng)了利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集戰(zhàn)場(chǎng)信息的研究，2001年美國(guó)陸軍提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信計(jì)劃”，研究通過(guò)布設(shè)大量節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)收集戰(zhàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行過(guò)濾和融合。美國(guó)維吉尼亞工學(xué)院研究了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線電環(huán)境地圖，以收集頻譜信息、監(jiān)管制度、無(wú)線設(shè)備功能以及區(qū)域用頻經(jīng)驗(yàn)等信息，對(duì)工作在該地區(qū)的動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行支持。DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)資助的自適應(yīng)增強(qiáng)無(wú)線小組項(xiàng)目研究了基于REM支持的分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)方案。而基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式檢測(cè)算法也受到了研究人員的廣泛關(guān)注和研究。這些項(xiàng)目和文獻(xiàn)研究了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作感知和信息處理方法，但是均沒(méi)有針對(duì)寬頻段、實(shí)時(shí)感知進(jìn)行設(shè)計(jì)。
針對(duì)這種問(wèn)題，文中針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和寬頻段感知的需求，提出一種用于頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò)方案。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
1．1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域(sensor field)內(nèi)部或附近，通過(guò)自組織的方式進(jìn)行協(xié)作。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，在傳輸過(guò)程中可能經(jīng)過(guò)不同節(jié)點(diǎn)的處理，到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)管理者通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)攜帶的電池供電，感知能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了對(duì)區(qū)域的信息收集和數(shù)據(jù)處理之外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理。由于傳感器節(jié)點(diǎn)能力的限制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)難以完成任務(wù)，對(duì)單項(xiàng)任務(wù)的監(jiān)測(cè)需要通過(guò)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成。
匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)也叫網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通常為一個(gè)功能增強(qiáng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，擁有的內(nèi)存和計(jì)算資源較多，它的能量供應(yīng)也比較充足，因此其處理能力、通信能力和存儲(chǔ)能力都較強(qiáng)，它主要負(fù)責(zé)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，對(duì)兩種不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之間的協(xié)議進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，將網(wǎng)絡(luò)所獲知的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給外部網(wǎng)絡(luò)。匯聚節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星等其他傳輸手段傳送到任務(wù)管理中心供用戶(hù)觀察分析。
另一方面，監(jiān)測(cè)任務(wù)的下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)的管理通過(guò)上述過(guò)程的逆過(guò)程實(shí)現(xiàn)。
1．2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要基于無(wú)線自組網(wǎng)(Ad Hoc Networks)技術(shù)，同時(shí)具有自己的特點(diǎn)。無(wú)線自組網(wǎng)是一個(gè)由幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的、采用無(wú)線通信方式的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)動(dòng)態(tài)路由技術(shù)提供滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。無(wú)線自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)一般假定具有持續(xù)的能量供給。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了檢測(cè)、控制以及無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目一般更為龐大，節(jié)點(diǎn)分布更為密集，節(jié)點(diǎn)通常固定不動(dòng)，但由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化和節(jié)點(diǎn)的低可靠性容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓Ｓ捎趥鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力的限制，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是提高能源的利用效率，以提高網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，亦是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與包括無(wú)線自組網(wǎng)在內(nèi)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要區(qū)別之一。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)可以總結(jié)如下：
1)大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)
在監(jiān)測(cè)區(qū)域，為了獲取精確信息，通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，在很大的地理區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬(wàn)，甚至更多，部署很密集，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用的或通信中斷的現(xiàn)象。
在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常情況下被放置在沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)地增加或減少的動(dòng)態(tài)變化。
2)動(dòng)態(tài)性可靠網(wǎng)絡(luò)
當(dāng)環(huán)境條件變化或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效等因素影響時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都有移動(dòng)性，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)，以保證其正常的工作效能。而且傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(cuò)性和安全性。
3)資源有限性
由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器。這些傳感器都具有計(jì)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(chǔ)器的容量有限，因此傳感器的處理能力也相當(dāng)受限。
4)能量有限性
由于受到硬件條件的影響，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)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(wǎng)又往往要求長(zhǎng)時(shí)間工作，并且受到能量的影響。因此，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離很短，一般只有幾十米，甚至更短。
5)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，多跳路由是基于數(shù)據(jù)為中心的路由，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有一個(gè)全局性的標(biāo)識(shí)，如IP地址。每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅僅知道自己鄰近節(jié)點(diǎn)的位置和標(biāo)識(shí)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理和通信，具有很強(qiáng)的協(xié)作性，而且數(shù)據(jù)傳輸具有很強(qiáng)的方向性。通常，查詢(xún)信息是通過(guò)廣播或多播的方式從觀察者向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器傳輸，而探測(cè)結(jié)果信息則是由分布在各處的傳感器節(jié)點(diǎn)向查詢(xún)節(jié)點(diǎn)匯聚。

2 面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)
基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，包括分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分頻段的協(xié)作感知機(jī)制和協(xié)作的檢測(cè)處理機(jī)制。
2．1 分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
由于需要監(jiān)測(cè)的頻段很寬，需要部署的節(jié)點(diǎn)很多，網(wǎng)絡(luò)采用分簇結(jié)構(gòu)，如圖2所示。節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式分成不同的簇；每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)同檢測(cè)提高精確度，簇首節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)將檢測(cè)結(jié)果傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。這種方式可以減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信息傳送數(shù)量，從而降低節(jié)點(diǎn)的能量開(kāi)銷(xiāo)，提高網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。同時(shí)，減小了路由的跳數(shù)，從而避免長(zhǎng)的通信路徑導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失概率增大，網(wǎng)絡(luò)性能下降等缺點(diǎn)。