認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電思想在 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1 概 述

1．1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電簡(jiǎn)介

    隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)頻譜資源越來(lái)越貧乏，如何充分提高無(wú)線(xiàn)頻譜的利用率成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)對(duì)此問(wèn)題提出了一種新的解決思路，其主要思想是使無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電概念最早由瑞典的Joseph Mitola博士提出，是對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)的進(jìn)一步擴(kuò)展。FCC(美國(guó)無(wú)線(xiàn)電委員會(huì))認(rèn)為，CR是能夠基于對(duì)其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線(xiàn)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(duì)自身的無(wú)線(xiàn)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(duì)頻譜授權(quán)用戶(hù)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(duì)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)頻譜資源得到更充分的利用。

1．2 傳統(tǒng)的Ad-hoc方式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足

    無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在監(jiān)測(cè)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(duì)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(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)又可以分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)兩種。單頻率分級(jí)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(jí)的網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為“虛擬骨干”。在多頻率分級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，不同級(jí)采用不同的通信頻率。低級(jí)節(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級(jí)節(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍。高級(jí)節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級(jí)中，有多個(gè)頻率，用不同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級(jí)的通信，但同一級(jí)內(nèi)仍使用相同頻率。

    以上這些同級(jí)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(kāi)發(fā)人員帶來(lái)很多不便。同頻多跳方式還會(huì)造成相鄰節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的相互干擾，而且傳統(tǒng)的同級(jí)單頻多跳的組網(wǎng)方式并沒(méi)有發(fā)揮出現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)芯片可以支持多個(gè)不同頻率信道的優(yōu)勢(shì)，造成了可用信道的閑置和浪費(fèi)。從認(rèn)知無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2．1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電的應(yīng)用前景，對(duì)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。 

    以Freescale公司的ZigBee射頻芯片2．4 GHz的MC13192為例，其物理信道支持完全符合圖1，通信時(shí)可以指定工作在一個(gè)信道上。在此特別指出，MC13192片內(nèi)集成的CCA(空閑信道評(píng)估)模塊可以根據(jù)接收到的基帶信號(hào)的能量進(jìn)行空閑信道評(píng)估檢測(cè)。簡(jiǎn)單應(yīng)用時(shí)可以直接調(diào)用Freescale公司提供的SMAC中的MLMEEner- gyDetect()原語(yǔ)，此函數(shù)的工作機(jī)理是在128μs內(nèi)對(duì)信道進(jìn)行能量積分和門(mén)限判別。通過(guò)調(diào)用MLMEEnergyDe-tect()可以檢測(cè)到信道的信號(hào)能量。此外，SMAC中還有MLMELinkQuality()原語(yǔ)，該原語(yǔ)為評(píng)估鏈路質(zhì)量所用。

    可見(jiàn)，ZigBee芯片的CCA模塊為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在其上的應(yīng)用提供了基本的硬件條件。同時(shí)，盡管目前的ZigBee規(guī)范中信道分配是靜態(tài)的，即網(wǎng)絡(luò)不會(huì)自動(dòng)在信道變壞時(shí)重置新的信道，但是應(yīng)用開(kāi)發(fā)商完全可以在應(yīng)用時(shí)自行決定將網(wǎng)絡(luò)遷移到一個(gè)新信道的條件，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用方案，從而實(shí)現(xiàn)信道的實(shí)時(shí)重構(gòu)。當(dāng)然，這時(shí)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電對(duì)頻譜的感知、判決分配、實(shí)時(shí)重構(gòu)都僅限于芯片支持的信道頻率范圍內(nèi)，例如MC13192的無(wú)線(xiàn)工作頻率是2．405～2．480 GHz。

2．2 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在ZigBee技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)

    實(shí)現(xiàn)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的方式有很多，應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使用 ZigBee技術(shù)，這也使得認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電思想在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用成為可能。雖然ZigBee芯片對(duì)頻譜的認(rèn)知水平并不高，僅限于能量檢測(cè)和功率控制，但這對(duì)于簡(jiǎn)單應(yīng)用而言已經(jīng)足夠而且相當(dāng)有效。

本文利用ZigBee射頻芯片支持多信道選擇的特點(diǎn)，采用同級(jí)多頻多跳的組網(wǎng)方式組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。在編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)，各節(jié)點(diǎn)結(jié)合自身在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的不同功能，實(shí)現(xiàn)不同方式的信道的最優(yōu)選擇。在這種方式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，可結(jié)合具體的外部環(huán)境給出最有效的解決方案，利用一切可用的機(jī)會(huì)進(jìn)行通信。下面結(jié)合Freescale公司的ZigBee射頻芯片MC13192給出這種認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電思想在ZigBee技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件節(jié)點(diǎn)通常由單片機(jī)MCU部分和射頻部分、傳感器部分共同組成。采用該節(jié)點(diǎn)，一個(gè)最簡(jiǎn)單的多頻多跳應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。 

    圖3中僅列出了最簡(jiǎn)單的組網(wǎng)方式。如果地形需要所有的傳感器節(jié)點(diǎn)按線(xiàn)型排開(kāi)(如在煤礦隧道中的傳感網(wǎng)絡(luò))，則可以采用上述組網(wǎng)方法。組網(wǎng)采用的是 ZigBee技術(shù)，利用現(xiàn)代高級(jí)無(wú)線(xiàn)芯片(如Freescale公司的MC13192芯片)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)對(duì)所有信道進(jìn)行能量檢測(cè)，從而選擇最干凈的信道進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)。如果地形復(fù)雜，傳感器節(jié)點(diǎn)遍布，則可以采用一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)周?chē)鷰讉€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的方式，信道選擇的編程基本思想不變。

    下面就以基于MC13192這一ZigBee射頻的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)為例，給出編程思想流程。編程基于Freescale公司提供的開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)SMAC。圖2 中，傳感器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控主節(jié)點(diǎn)可以采用按鍵選擇相應(yīng)的功能，軟件流程如圖4所示。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，則可以采用圖5所示的編程思想。

    傳感器節(jié)點(diǎn)的工作比較簡(jiǎn)單，只須在采到數(shù)據(jù)后添加自己的節(jié)點(diǎn)信息，以合適的數(shù)據(jù)格式將其以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)出。而轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)則需要實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙向功能。由于MC13192射頻芯片在同一時(shí)間只能工作在一個(gè)信道頻率，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)跳轉(zhuǎn)而不發(fā)生碰撞特制定如下步驟：

    ①先掃描信道的質(zhì)量，然后選擇信號(hào)最好的鏈路作為接收信道。MC13192本來(lái)具有信道能量檢測(cè)功能，在Freescale公司提供的SMAC中，只需在應(yīng)用時(shí)調(diào)用MLMEEnergyDetect()原語(yǔ)。但是由于本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)為了在多跳時(shí)不發(fā)生碰撞，發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)每發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包都要調(diào)用一個(gè)約50 ms的子程序，此信道空閑間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于128μs，導(dǎo)致積分區(qū)間很可能落在空閑段，故不能直接采用。為此，跳轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)采取設(shè)定某信道為接收信道，然后調(diào)用 MLMELinkQuality()原語(yǔ)的方式。MLMELinkQuality()原語(yǔ)給出的鏈路質(zhì)量值是建立在上一個(gè)成功接收的基礎(chǔ)上的，故而可以對(duì)本設(shè)計(jì)的稀疏數(shù)據(jù)方式奏效。跳轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)信道上輪流操作鏈路質(zhì)量評(píng)估，最終選擇質(zhì)量最好的信道作為接收信道。

    ②以模16下推一個(gè)信道作為發(fā)送信道。

    本設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合中一旦形成拓?fù)渚筒辉佥p易發(fā)生變動(dòng)。例如會(huì)展時(shí)在每個(gè)展覽品的底部添加傳感器模塊，那么在會(huì)展開(kāi)始時(shí)讓鏈路自動(dòng)尋找路由，會(huì)展期問(wèn)就無(wú)需再變動(dòng)。所以單純地向下遞推一個(gè)空閑信道作為發(fā)送信道是完全可行的。安裝網(wǎng)絡(luò)時(shí)只要依地理位置的遠(yuǎn)近順次開(kāi)啟傳感模塊開(kāi)關(guān)，即可自組織一條路徑。監(jiān)控主節(jié)點(diǎn)與通用計(jì)算機(jī)以串口線(xiàn)相連，通過(guò)在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行監(jiān)控程序，對(duì)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行分揀，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2．3 新的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)

    上一節(jié)介紹的多頻多跳的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在實(shí)際運(yùn)用中的一次簡(jiǎn)單嘗試，重在實(shí)現(xiàn)。信道的分配只在最初網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)進(jìn)行一次。如果要在實(shí)際中進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)用，還需考慮很多其他問(wèn)題。具體而言，本文認(rèn)為一個(gè)較為完善的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該按照如下的過(guò)程進(jìn)行通信：

    ①檢測(cè)頻譜空穴；
    ②依據(jù)空穴建立信道；
    ③數(shù)據(jù)傳輸；
    ④持續(xù)檢測(cè)頻譜空穴變動(dòng)情況，情況不佳時(shí)更改信道使用；
    ⑤重復(fù)步驟②～④。
    因?yàn)槿绻l(fā)送節(jié)點(diǎn)依據(jù)信道質(zhì)量做出了調(diào)整，各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)本身不知道發(fā)送節(jié)點(diǎn)所要采用的頻率，可以另外設(shè)一個(gè)公用的信道用于協(xié)商對(duì)話(huà)。例如每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 MC13192都選擇16個(gè)信道中的第一個(gè)信道為公用信道，當(dāng)它要改變信道時(shí)就在該公用信道上發(fā)送信息，說(shuō)明要切換到的信道。

2．4 新的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

    采用多頻多跳的組網(wǎng)方式解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)分復(fù)用的方法對(duì)信道的利用率不高的問(wèn)題，充分利用了現(xiàn)代高級(jí)無(wú)線(xiàn)射頻芯片對(duì)信道占用情況的能量檢測(cè)功能，從認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的角度解決了傳統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)用的編程設(shè)置復(fù)雜、浪費(fèi)信道資源、相鄰節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)信道相互干擾的問(wèn)題。多頻多跳的組網(wǎng)方式在小范圍組建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有充分利用通信機(jī)會(huì)、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)容易、鄰節(jié)點(diǎn)干擾小、無(wú)需特殊同步路由算法的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的Ad-hoc中，MAC方案所采用的信道是靜態(tài)分配的，而本文提出的新方案采用的信道是動(dòng)態(tài)的。

結(jié) 語(yǔ)

    認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是在軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的智能無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，它的提出為從根本上解決日益增長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)通信需求與有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源之間的矛盾，開(kāi)辟了一條行之有效的解決途徑。然而，Cog-nitive Radio技術(shù)從概念到應(yīng)用尚面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

    本文將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電思想在基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了嘗試，建立起一種多頻多跳的網(wǎng)絡(luò)，從而有效地提高了頻譜的利用效率，同時(shí)避免了同信道干擾。該組網(wǎng)方式無(wú)需復(fù)雜的同步、路由算法。此外本文給出了優(yōu)化的完全動(dòng)態(tài)頻譜分配的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。這一充分利用無(wú)線(xiàn)芯片多信道支持功能的思想也值得在其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)中嘗試?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著研究的深入，一旦認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)投入使用，將提供更為靈活的頻譜管理機(jī)制和更為高效的頻譜利用率，以滿(mǎn)足越來(lái)越強(qiáng)勁的頻譜需求，為頻譜資源越來(lái)越緊張的無(wú)線(xiàn)通信注入新的活力。