孔德陽 ， 梁 濤 ， 張建照 ， 蔣慧娟

（1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.總參第六十三研究所 江蘇 南京 210007）

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和無線通信業(yè)務(wù)需求的增加，無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線個域網(wǎng)、移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)等各類無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量快速增長，無線通信技術(shù)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(zhì)量的無線服務(wù)，一直是無線通信領(lǐng)域的研究目標(biāo)。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(chǔ)。

作為一種有限的資源，無線頻譜的稀缺問題越來越嚴(yán)重，成為制約無線應(yīng)用的重要瓶頸。根據(jù)2003年美國國家電信與信息管理局（National Telecommunications and Information Administration，NTIA）公布的頻譜分配圖，可分配的頻段已經(jīng)面臨枯竭[1]。1999年，Joseph Mitola博士提出了認(rèn)知無線電技術(shù)（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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（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）[2]等外部網(wǎng)絡(luò)對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提供可用頻譜信息、地理特征、用頻經(jīng)驗等支持，是實現(xiàn)基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)頻譜利用的重要途徑[3]。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?，監(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(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由具有通信、計算和網(wǎng)絡(luò)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(wù)的網(wǎng)絡(luò)[4]。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，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)控是動態(tài)頻譜管理、頻譜監(jiān)測等領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信計劃”[5]，研究通過布設(shè)大量節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò)收集戰(zhàn)場信息并進(jìn)行過濾和融合。美國維吉尼亞工學(xué)院研究了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線電環(huán)境地圖[2]，以收集頻譜信息、監(jiān)管制度、無線設(shè)備功能以及區(qū)域用頻經(jīng)驗等信息，對工作在該地區(qū)的動態(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)無線小組項目研究了基于REM支持的分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)方案[6]。而基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式檢測算法也受到了研究人員的廣泛關(guān)注和研究[7-9]。這些項目和文獻(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，但是均沒有針對寬頻段、實時感知進(jìn)行設(shè)計。

針對這種問題，文中針對傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)方案。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與特點

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域（sensor field）內(nèi)部或附近，通過自組織的方式進(jìn)行協(xié)作。節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，在傳輸過程中可能經(jīng)過不同節(jié)點的處理，到達(dá)匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)管理者通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)[10-11]。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the wireless sensor networks

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(wǎng)絡(luò)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(jù)處理之外，還要對其他節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)，對單項任務(wù)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(wǎng)關(guān)節(jié)點，通常為一個功能增強(qiáng)的傳感器節(jié)點，擁有的內(nèi)存和計算資源較多，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)點獲得的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星等其他傳輸手段傳送到任務(wù)管理中心供用戶觀察分析。

另一方面，監(jiān)測任務(wù)的下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)的管理通過上述過程的逆過程實現(xiàn)。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要基于無線自組網(wǎng) （Ad Hoc Networks）技術(shù)，同時具有自己的特點。無線自組網(wǎng)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(wǎng)的多跳對等網(wǎng)絡(luò)，通過動態(tài)路由技術(shù)提供滿足服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。無線自組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)是集成了檢測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化和節(jié)點的低可靠性容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。由于傳感器?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(wǎng)絡(luò)設(shè)計的首要目標(biāo)是提高能源的利用效率，以提高網(wǎng)絡(luò)的工作時間，亦是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與包括無線自組網(wǎng)在內(nèi)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要區(qū)別之一[12]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點可以總結(jié)如下：

1）大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)

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(nèi)，傳感器節(jié)點數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多，部署很密集，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)不會因一個或幾個節(jié)點出現(xiàn)問題而導(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)點通常情況下被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(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(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)點出現(xiàn)故障或失效等因素影響時，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以動態(tài)重構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)也有極高的通信保密性和安全性，其軟硬件具有魯棒性、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(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(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)點沒有一個全局性的標(biāo)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(biāo)識。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)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過相鄰節(jié)點之間的相互協(xié)作來進(jìn)行信號處理和通信，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，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察者向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器傳輸，而探測結(jié)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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)作的檢測處理機(jī)制。

2.1 分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于需要監(jiān)測的頻段很寬，需要部署的節(jié)點很多，網(wǎng)絡(luò)采用分簇結(jié)構(gòu)，如圖1所示。節(jié)點通過自組織的方式分成不同的簇；每個簇內(nèi)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(zhuǎn)發(fā)將檢測結(jié)果傳送到匯聚節(jié)點。這種方式可以減少網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(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。

圖2 分簇的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Clustered wireless sensor network

在網(wǎng)絡(luò)中，簇內(nèi)節(jié)點按照星型方式組網(wǎng)，節(jié)點分為普通節(jié)點和簇頭節(jié)點。在一個簇單位內(nèi)，普通節(jié)點只與簇頭節(jié)點通信，以減少節(jié)點能耗、延遲節(jié)點壽命。簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)匯聚普通節(jié)點的觀測信息，并進(jìn)行簡單的處理。簇與簇之間的信息傳輸依靠簇頭節(jié)點間的無線鏈路來完成。簇頭節(jié)點間組成自組織、多跳網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測信息借助其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，多跳至匯聚節(jié)點。

2.2 分頻段協(xié)作感知機(jī)制

由于單個感知節(jié)點的電磁監(jiān)測性能受到處理資源、通信能力、能耗等限制、受到無線信道衰落特性、噪聲、干擾等影響，單個節(jié)點只能完成簡單的任務(wù)，無法較好地獨立完成大規(guī)模的電磁監(jiān)測任務(wù)。此外，電磁傳感網(wǎng)的這種全分布式網(wǎng)絡(luò)部署特性就決定了不可能直接操作每個感知節(jié)點，而且在大多數(shù)情況下，單個感知節(jié)點不可能直接獲取部署區(qū)域的整體電磁環(huán)境信息。因此，為了充分利用感知節(jié)點的有限資源來滿足頻譜監(jiān)測的要求，感知節(jié)點應(yīng)在一定程度的自主基礎(chǔ)上，以合理的分布式協(xié)同機(jī)制共同工作，保持感知節(jié)點間行為的高度一致性，以較高的檢測概率、較低的虛警概率、較低的估計誤差、較高的識別精度、較短的檢測處理時間、較低的實現(xiàn)成本實現(xiàn)對未知或已知目標(biāo)的監(jiān)測。此外，分布式協(xié)同機(jī)制相對于集中控制還可以提高頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性與網(wǎng)絡(luò)性能。

網(wǎng)絡(luò)采用分頻段感知的方式工作，如圖3所示。由于節(jié)點能力的限制，每個節(jié)點感知的帶寬有限，監(jiān)測頻段的大小與掃描的周期是一對矛盾。在節(jié)點處理能力一定的情況下，監(jiān)測頻段越寬，掃描周期就越長；監(jiān)測頻段越窄，掃描周期就越短。戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，瞬息間就可能發(fā)生變化，應(yīng)依據(jù)監(jiān)測任務(wù)要求、信號密集程度、節(jié)點部署情況等對整個監(jiān)測頻段進(jìn)行劃分，減小掃描周期，降低對單個節(jié)點監(jiān)測帶寬的要求。

圖3 分頻段協(xié)同感知方式Fig.3 Frequency division based cooperative sensing

對重要頻段或信號密集的頻段，如通信信號較為集中的20～500 MHz頻段，雷達(dá)信號較為集中的1～18 GHz頻段，應(yīng)加大相應(yīng)的節(jié)點頻段分布密度，提高整體的監(jiān)測性能。

2.3 協(xié)作的檢測處理機(jī)制

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，分散部署了數(shù)量眾多的監(jiān)測感知節(jié)點。由于節(jié)點數(shù)目龐大、且產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)覆蓋了時域、空域、頻域多維數(shù)據(jù)空間，如果每個監(jiān)測節(jié)點都直接將原始的觀測信息傳輸至匯聚節(jié)點進(jìn)行融合處理，顯然會耗費中繼節(jié)點的很多能量，消耗傳感網(wǎng)絡(luò)的大量通信資源，引起網(wǎng)絡(luò)通信容量出現(xiàn)飽和，甚至導(dǎo)致通信阻塞。因此，頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)僅實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)頻譜信息的簡單協(xié)作和傳輸是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一種可行的解決辦法是采用分級的分布式協(xié)作信號處理方式，以有效減輕頻譜電磁傳感網(wǎng)的信息傳輸負(fù)荷，提高電磁監(jiān)測網(wǎng)的靈活性、可靠性。

感知節(jié)點部署完成后，匯聚節(jié)點利用感知節(jié)點定位等功能及時掌握每個節(jié)點所處的地理位置，維護(hù)并實時更新網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。根據(jù)分配的監(jiān)測任務(wù)不同，將整個網(wǎng)絡(luò)動態(tài)分為不同的任務(wù)網(wǎng)。在每個任務(wù)網(wǎng)中，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、?jié)點位置信息等，通過分簇算法將節(jié)點進(jìn)行動態(tài)分簇，并選出相應(yīng)的簇頭節(jié)點。為了便于區(qū)別，每個節(jié)點都附有標(biāo)簽，用于說明所屬任務(wù)網(wǎng)、所屬簇、節(jié)點類型等。在每個節(jié)點簇內(nèi)，普通節(jié)點可依據(jù)傳輸信道的質(zhì)量對原始觀測信息進(jìn)行硬判決或軟判決處理。為了節(jié)約通信資源、延長網(wǎng)絡(luò)生存壽命，普通節(jié)點的檢測可采用硬判決，并將檢測結(jié)果直接傳至簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)接收簇內(nèi)節(jié)點所有檢測結(jié)果，運用K秩序準(zhǔn)則對簇內(nèi)檢測信息進(jìn)行初步融合處理，得到簇檢測結(jié)果。借助全網(wǎng)簇頭節(jié)點的多跳轉(zhuǎn)發(fā)，將簇檢測處理結(jié)果傳至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)接收所有的簇檢測處理結(jié)果，并依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行融合處理，得到最終的信號檢測結(jié)果。普通節(jié)點的識別與分類采用帶有置信度的軟判決，運用證據(jù)理論對簇內(nèi)識別信息進(jìn)行初步融合處理，得到簇識別結(jié)果。匯聚節(jié)點再依據(jù)數(shù)據(jù)融合算法得到最終的識別分類結(jié)果。

分級的分布式協(xié)作信號處理模型如圖4所示。

選取同期門診健康體檢者20例（20眼）作為對照組。其中，男12例，女8例。年齡41～78（52.4±13.0）歲。均采集右眼數(shù)據(jù)。

圖4 分布式協(xié)作檢測處理的分級模型Fig.4 Hierarchical distributed cooperative sensing result processing model

其中頻譜檢測信息的處理流程分為3級，分別是：

1）0級信號處理

由簇內(nèi)普通節(jié)點來完成頻譜信息的接收、低噪放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號預(yù)處理以及初步的信號檢測、參數(shù)估計、識別分類，生成上傳的基本頻譜信息；

2）1級信號處理

由簇內(nèi)簇頭節(jié)點來融合節(jié)點簇覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜信息，完成簇內(nèi)檢測結(jié)果、識別結(jié)果等信息的初級融合；

3）2級信號處理

由匯聚節(jié)點融合傳感網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜信息，完成時空校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、綜合過濾以及簇間檢測結(jié)果、識別結(jié)果的最終融合，實時建立和更新能反映當(dāng)時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)頻譜環(huán)境分布特征的數(shù)據(jù)、給出全景頻譜態(tài)勢或高分辨率的局部頻譜態(tài)勢、動態(tài)統(tǒng)計頻譜的時間占用度、頻率占用度和地域占用度等，并向上層頻譜控制中心匯報。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

為了提高監(jiān)測的效果和降低網(wǎng)絡(luò)能量開銷，需要設(shè)計高效的分簇算法，綜合考慮任務(wù)頻段的帶寬、節(jié)點的部署密度等因素進(jìn)行分簇。

2）檢測周期的優(yōu)化

為了提高檢測數(shù)據(jù)的實時性，需要減小檢測數(shù)據(jù)報告的周期，而頻繁發(fā)送檢測結(jié)果會提高節(jié)點的能量開銷，也容易造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，因此，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)檢測需求進(jìn)行檢測周期的優(yōu)化。

3）節(jié)點部署密度的優(yōu)化

節(jié)點的部署密度與待檢測的帶寬、節(jié)點的通信距離、感知能力等因素有關(guān)，需要基于這些因素，估計需要的部署密度。

4 結(jié) 論

針對寬頻段頻譜感知的需求，提出了一種面向頻譜感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分頻段的協(xié)作感知機(jī)制和信息處理機(jī)制，實現(xiàn)對寬頻段頻譜感知的要求，分析了實現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為利用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻譜感知提供了一種可選的方案。對于其中的分簇算法、融合算法、網(wǎng)絡(luò)部署等技術(shù)，需要進(jìn)一步的研究。

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