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)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。

    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(空閑信道評估)模塊可以根據(jù)接收到的基帶信號的能量進(jìn)行空閑信道評估檢測。簡單應(yīng)用時(shí)可以直接調(diào)用Freescale公司提供的SMAC中的MLMEEner- gyDetect()原語，此函數(shù)的工作機(jī)理是在128μs內(nèi)對信道進(jìn)行能量積分和門限判別。通過調(diào)用MLMEEnergyDe-tect()可以檢測到信道的信號能量。此外，SMAC中還有MLMELinkQuality()原語，該原語為評估鏈路質(zhì)量所用。
    可見，ZigBee芯片的CCA模塊為認(rèn)知無線電在其上的應(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)不會自動在信道變壞時(shí)重置新的信道，但是應(yīng)用開發(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)知無線電對頻譜的感知、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的無線工作頻率是2．405～2．480 GHz。
2．2 認(rèn)知無線電在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)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使用 ZigBee技術(shù)，這也使得認(rèn)知無線電思想在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用成為可能。雖然ZigBee芯片對頻譜的認(rèn)知水平并不高，僅限于能量檢測和功率控制，但這對于簡單應(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)，采用同級多頻多跳的組網(wǎng)方式組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在編寫應(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。在這種方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)計(jì)過程中，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)知無線電思想在ZigBee技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，無線傳感器網(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)按線型排開(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)代高級無線芯片(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)對所有信道進(jìn)行能量檢測，從而選擇最干凈的信道進(jìn)行信號的發(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)周圍幾個(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公司提供的開發(fā)軟件平臺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)格式將其以無線方式發(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，然后選擇信號最好的鏈路作為接收信道。MC13192本來具有信道能量檢測功能，在Freescale公司提供的SMAC中，只需在應(yīng)用時(shí)調(diào)用MLMEEnergyDetect()原語。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()原語的方式。MLMELinkQuality()原語給出的鏈路質(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)用場合中一旦形成拓?fù)渚筒辉佥p易發(fā)生變動。例如會展時(shí)在每個(gè)展覽品的底部添加傳感器模塊，那么在會展開始時(shí)讓鏈路自動尋找路由，會展期問就無需再變動。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)近順次開啟傳感模塊開關(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)以串口線相連，通過在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行監(jiān)控程序，對節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行分揀，實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。
2．3 新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)
    上一節(jié)介紹的多頻多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在實(shí)際運(yùn)用中的一次簡單嘗試，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題。具體而言，本文認(rèn)為一個(gè)較為完善的認(rèn)知無線電 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該按照如下的過程進(jìn)行通信：
    ①檢測頻譜空穴；
    ②依據(jù)空穴建立信道；
    ③數(shù)據(jù)傳輸；
    ④持續(xù)檢測頻譜空穴變動情況，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)商對話。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，說明要切換到的信道。
2．4 新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢
    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)用的方法對信道的利用率不高的問題，充分利用了現(xiàn)代高級無線射頻芯片對信道占用情況的能量檢測功能，從認(rèn)知無線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)無線信道相互干擾的問題。多頻多跳的組網(wǎng)方式在小范圍組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有充分利用通信機(jī)會、組網(wǎng)簡單、開發(fā)容易、鄰節(jié)點(diǎn)干擾小、無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態(tài)的。

結(jié) 語
    認(rèn)知無線電技術(shù)是在軟件無線電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的智能無線電通信技術(shù)，它的提出為從根本上解決日益增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源之間的矛盾，開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)知無線電思想在基于ZigBee的無線傳感器網(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)化的完全動態(tài)頻譜分配的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。這一充分利用無線芯片多信道支持功能的思想也值得在其他無線技術(shù)中嘗試。可以預(yù)見，隨著研究的深入，一旦認(rèn)知無線電技術(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，以滿足越來越強(qiáng)勁的頻譜需求，為頻譜資源越來越緊張的無線通信注入新的活力。