认知无线电思想在ZigBee无线传感器网络中的应用
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1 概 述
1．1 认知无线电简介
随着无线通信技术的发展，无线频谱资源越来越贫乏，如何充分提高无线频谱的利用率成为亟待解决的技术问题。认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术对此问题提出了一种新的解决思路，其主要思想是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”，并合理利用所发现的“空洞”的能力。
认知无线电概念最早由瑞典的Joseph Mitola博士提出，是对软件无线电(SDR)的进一步扩展。FCC(美国无线电委员会)认为，CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电。研究当前主要文献可知，CR应该具备进行频谱感知、频谱分析、频谱判决选择的认知功能，并且可以根据外部环境对自身的无线传输参数进行实时重构，以充分、合理地利用“空洞”，但不能对频谱授权用户造成有害干扰。
目前，CR实现动态频谱管理的方法主要有两种：一种是采用OFDM技术，在不产生干扰的基础上工作；另一种是采用超宽带UWB技术，在低于某个预定的、可接受的干扰噪声下进行工作。这两个方向的研究大都基于物理层对频谱进行动态管理。事实上，研究工作不仅可以在物理层进行，也可以在MAC层及其高层实施。在现有的几大无线通信标准中，如ZigBee、WLAN等，都基于多个不同频率的信道。动态地、智能地充分利用这些信道，可以使紧缺的无线频谱资源得到更充分的利用。
1．2 传统的Ad-hoc方式无线传感器网络的不足
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，它通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。其作用是协作地感知、采集和处理网络区域中感知对象的信息，并发送给观察者。WSN通常选型为Ad-hoc网络。
Ad-hoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。平面结构中所有的节点处在同一频率，要依靠复杂的路由算法和网同步方法获得信息的有效传输。分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络中只有一个通信频率，所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关节点(同时属于两个簇的节点)的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为“虚拟骨干”。在多频率分级网络中，不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级节点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信，但同一级内仍使用相同频率。
以上这些同级同频多跳的组网方式需要复杂的同步、路由算法的支持，为开发人员带来很多不便。同频多跳方式还会造成相邻节点无线信号的相互干扰，而且传统的同级单频多跳的组网方式并没有发挥出现代无线芯片可以支持多个不同频率信道的优势，造成了可用信道的闲置和浪费。从认知无线电的角度出发，传统的组网方式在特定时间内存在较大“频谱空洞”。
2 在ZigBee无线传感器网络中的应用
2．1 认知无线电在ZigBee技术中应用的可能性
ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率无线接入技术。IEEE 802．15．4标准为ZigBee的发展制定了规范。ZigBee虽然具有低的传输速率，但具有约100m的传输距离和极低的功率消耗，大多数时间处于睡眠模式，更加适用于低功耗的传感器网络。
为了分析ZigBee技术中认知无线电的应用前景，对当前流行的ZigBee芯片的射频应用支持情况加以分析。
如图1所示，为了避免干扰，IEEE 802．15．4标准的物理层采用了3个频段：北美采用的2．4 GHz ISM频段和915 MHz频段，以及欧洲采用的868 MHz频段。故而IEEE 802．15．4提供两种物理层的选择(868／915 MHz和2．4 GHz)。每个频段的规范略有不同。2．4 GHz ISM频段总共有16个不同的信道，最大数据传输速率为250 kb／s；915 MHz频段有10个信道，最大数据传输速率为40kb／s；而868 MHz频段只有1个信道，最大数据传输速率为20 kh／s。
可见，ZigBee芯片的CCA模块为认知无线电在其上的应用提供了基本的硬件条件。同时，尽管目前的ZigBee规范中信道分配是静态的，即网络不会自动在信道变坏时重置新的信道，但是应用开发商完全可以在应用时自行决定将网络迁移到一个新信道的条件，并开发相应的应用方案，从而实现信道的实时重构。当然，这时认知无线电对频谱的感知、判决分配、实时重构都仅限于芯片支持的信道频率范围内，例如MC13192的无线工作频率是2．405～2．480 GHz。
2．2 认知无线电在ZigBee技术上的实现
实现Ad-hoc网络的方式有很多，应用于无线传感器网络可以使用 ZigBee技术，这也使得认知无线电思想在无线传感器网络中的应用成为可能。虽然ZigBee芯片对频谱的认知水平并不高，仅限于能量检测和功率控制，但这对于简单应用而言已经足够而且相当有效。本文利用ZigBee射频芯片支持多信道选择的特点，采用同级多频多跳的组网方式组建无线传感器网络。在编写应用程序时，各节点结合自身在传感器网络中实现的不同功能，实现不同方式的信道的最优选择。在这种方式的无线传感器网络的具体设计过程中，可结合具体的外部环境给出最有效的解决方案，利用一切可用的机会进行通信。下面结合Freescale公司的ZigBee射频芯片MC13192给出这种认知无线电思想在ZigBee技术的实现。如图2所示，无线传感器网络中的硬件节点通常由单片机MCU部分和射频部分、传感器部分共同组成。采用该节点，一个最简单的多频多跳应用传感器网络如图3所示。
下面就以基于MC13192这一ZigBee射频的节点组网为例，给出编程思想流程。编程基于Freescale公司提供的开发软件平台SMAC。图2 中，传感器节点、监控主节点可以采用按键选择相应的功能，软件流程如图4所示。转发节点，则可以采用图5所示的编程思想。
①先扫描信道的质量，然后选择信号最好的链路作为接收信道。MC13192本来具有信道能量检测功能，在Freescale公司提供的SMAC中，只需在应用时调用 MLMEEnergyDetect()原语。但是由于本设计的数据为了在多跳时不发生碰撞，发送终端节点每发送完一个数据包都要调用一个约50 ms的子程序，此信道空闲间隙远远大于128μs，导致积分区间很可能落在空闲段，故不能直接采用。为此，跳转节点采取设定某信道为接收信道，然后调用 MLMELinkQuality()原语的方式。MLMELinkQuality()原语给出的链路质量值是建立在上一个成功接收的基础上的，故而可以对本设计的稀疏数据方式奏效。跳转节点在每个信道上轮流操作链路质量评估，最终选择质量最好的信道作为接收信道。
②以模16下推一个信道作为发送信道。
本设计的应用场合中一旦形成拓扑就不再轻易发生变动。例如会展时在每个展览品的底部添加传感器模块，那么在会展开始时让链路自动寻找路由，会展期问就无需再变动。所以单纯地向下递推一个空闲信道作为发送信道是完全可行的。安装网络时只要依地理位置的远近顺次开启传感模块开关，即可自组织一条路径。监控主节点与通用计算机以串口线相连，通过在通用计算机上运行监控程序，对节点信息进行分拣，实现对传感器数据进行管理。
2．3 新的无线传感器网络的改进
上一节介绍的多频多跳的无线传感器网络只是在实际运用中的一次简单尝试，重在实现。信道的分配只在最初网络初始化时进行一次。如果要在实际中进行大规模运用，还需考虑很多其他问题。具体而言，本文认为一个较为完善的认知无线电 ZigBee网络中的节点应该按照如下的过程进行通信：
①检测频谱空穴；
②依据空穴建立信道；
③数据传输；
④持续检测频谱空穴变动情况，情况不佳时更改信道使用；
⑤重复步骤②～④。
因为如果发送节点依据信道质量做出了调整，各个接收节点本身不知道发送节点所要采用的频率，可以另外设一个公用的信道用于协商对话。例如每个节点的 MC13192都选择16个信道中的第一个信道为公用信道，当它要改变信道时就在该公用信道上发送信息，说明要切换到的信道。
2．4 新的无线传感器网络的优势
采用多频多跳的组网方式解决了传统网络采用时分复用的方法对信道的利用率不高的问题，充分利用了现代高级无线射频芯片对信道占用情况的能量检测功能，从认知无线电的角度解决了传统组网应用的编程设置复杂、浪费信道资源、相邻节点无线信道相互干扰的问题。多频多跳的组网方式在小范围组建的无线传感器网络具有充分利用通信机会、组网简单、开发容易、邻节点干扰小、无需特殊同步路由算法的特点。传统的Ad-hoc中，MAC方案所采用的信道是静态分配的，而本文提出的新方案采用的信道是动态的。
结 语
认知无线电技术是在软件无线电技术基础上发展起来的一种新的智能无线电通信技术，它的提出为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾，开辟了一条行之有效的解决途径。然而，Cog-nitive Radio技术从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术有待突破。
本文将认知无线电思想在基于ZigBee的无线传感器网络上进行了尝试，建立起一种多频多跳的网络，从而有效地提高了频谱的利用效率，同时避免了同信道干扰。该组网方式无需复杂的同步、路由算法。此外本文给出了优化的完全动态频谱分配的ZigBee无线传感器网络解决方案。这一充分利用无线芯片多信道支持功能的思想也值得在其他无线技术中尝试。可以预见，随着研究的深入，一旦认知无线电技术投入使用，将提供更为灵活的频谱管理机制和更为高效的频谱利用率，以满足越来越强劲的频谱需求，为频谱资源越来越紧张的无线通信注入新的活力。
1．1 认知无线电简介
随着无线通信技术的发展，无线频谱资源越来越贫乏，如何充分提高无线频谱的利用率成为亟待解决的技术问题。认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术对此问题提出了一种新的解决思路，其主要思想是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”，并合理利用所发现的“空洞”的能力。
认知无线电概念最早由瑞典的Joseph Mitola博士提出，是对软件无线电(SDR)的进一步扩展。FCC(美国无线电委员会)认为，CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电。研究当前主要文献可知，CR应该具备进行频谱感知、频谱分析、频谱判决选择的认知功能，并且可以根据外部环境对自身的无线传输参数进行实时重构，以充分、合理地利用“空洞”，但不能对频谱授权用户造成有害干扰。
目前，CR实现动态频谱管理的方法主要有两种：一种是采用OFDM技术，在不产生干扰的基础上工作；另一种是采用超宽带UWB技术，在低于某个预定的、可接受的干扰噪声下进行工作。这两个方向的研究大都基于物理层对频谱进行动态管理。事实上，研究工作不仅可以在物理层进行，也可以在MAC层及其高层实施。在现有的几大无线通信标准中，如ZigBee、WLAN等，都基于多个不同频率的信道。动态地、智能地充分利用这些信道，可以使紧缺的无线频谱资源得到更充分的利用。
1．2 传统的Ad-hoc方式无线传感器网络的不足
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，它通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。其作用是协作地感知、采集和处理网络区域中感知对象的信息，并发送给观察者。WSN通常选型为Ad-hoc网络。
Ad-hoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。平面结构中所有的节点处在同一频率，要依靠复杂的路由算法和网同步方法获得信息的有效传输。分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络中只有一个通信频率，所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关节点(同时属于两个簇的节点)的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为“虚拟骨干”。在多频率分级网络中，不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级节点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信，但同一级内仍使用相同频率。
以上这些同级同频多跳的组网方式需要复杂的同步、路由算法的支持，为开发人员带来很多不便。同频多跳方式还会造成相邻节点无线信号的相互干扰，而且传统的同级单频多跳的组网方式并没有发挥出现代无线芯片可以支持多个不同频率信道的优势，造成了可用信道的闲置和浪费。从认知无线电的角度出发，传统的组网方式在特定时间内存在较大“频谱空洞”。
2 在ZigBee无线传感器网络中的应用
2．1 认知无线电在ZigBee技术中应用的可能性
ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率无线接入技术。IEEE 802．15．4标准为ZigBee的发展制定了规范。ZigBee虽然具有低的传输速率，但具有约100m的传输距离和极低的功率消耗，大多数时间处于睡眠模式，更加适用于低功耗的传感器网络。
为了分析ZigBee技术中认知无线电的应用前景，对当前流行的ZigBee芯片的射频应用支持情况加以分析。
如图1所示，为了避免干扰，IEEE 802．15．4标准的物理层采用了3个频段：北美采用的2．4 GHz ISM频段和915 MHz频段，以及欧洲采用的868 MHz频段。故而IEEE 802．15．4提供两种物理层的选择(868／915 MHz和2．4 GHz)。每个频段的规范略有不同。2．4 GHz ISM频段总共有16个不同的信道，最大数据传输速率为250 kb／s；915 MHz频段有10个信道，最大数据传输速率为40kb／s；而868 MHz频段只有1个信道，最大数据传输速率为20 kh／s。
可见，ZigBee芯片的CCA模块为认知无线电在其上的应用提供了基本的硬件条件。同时，尽管目前的ZigBee规范中信道分配是静态的，即网络不会自动在信道变坏时重置新的信道，但是应用开发商完全可以在应用时自行决定将网络迁移到一个新信道的条件，并开发相应的应用方案，从而实现信道的实时重构。当然，这时认知无线电对频谱的感知、判决分配、实时重构都仅限于芯片支持的信道频率范围内，例如MC13192的无线工作频率是2．405～2．480 GHz。
2．2 认知无线电在ZigBee技术上的实现
实现Ad-hoc网络的方式有很多，应用于无线传感器网络可以使用 ZigBee技术，这也使得认知无线电思想在无线传感器网络中的应用成为可能。虽然ZigBee芯片对频谱的认知水平并不高，仅限于能量检测和功率控制，但这对于简单应用而言已经足够而且相当有效。本文利用ZigBee射频芯片支持多信道选择的特点，采用同级多频多跳的组网方式组建无线传感器网络。在编写应用程序时，各节点结合自身在传感器网络中实现的不同功能，实现不同方式的信道的最优选择。在这种方式的无线传感器网络的具体设计过程中，可结合具体的外部环境给出最有效的解决方案，利用一切可用的机会进行通信。下面结合Freescale公司的ZigBee射频芯片MC13192给出这种认知无线电思想在ZigBee技术的实现。如图2所示，无线传感器网络中的硬件节点通常由单片机MCU部分和射频部分、传感器部分共同组成。采用该节点，一个最简单的多频多跳应用传感器网络如图3所示。
下面就以基于MC13192这一ZigBee射频的节点组网为例，给出编程思想流程。编程基于Freescale公司提供的开发软件平台SMAC。图2 中，传感器节点、监控主节点可以采用按键选择相应的功能，软件流程如图4所示。转发节点，则可以采用图5所示的编程思想。
①先扫描信道的质量，然后选择信号最好的链路作为接收信道。MC13192本来具有信道能量检测功能，在Freescale公司提供的SMAC中，只需在应用时调用 MLMEEnergyDetect()原语。但是由于本设计的数据为了在多跳时不发生碰撞，发送终端节点每发送完一个数据包都要调用一个约50 ms的子程序，此信道空闲间隙远远大于128μs，导致积分区间很可能落在空闲段，故不能直接采用。为此，跳转节点采取设定某信道为接收信道，然后调用 MLMELinkQuality()原语的方式。MLMELinkQuality()原语给出的链路质量值是建立在上一个成功接收的基础上的，故而可以对本设计的稀疏数据方式奏效。跳转节点在每个信道上轮流操作链路质量评估，最终选择质量最好的信道作为接收信道。
②以模16下推一个信道作为发送信道。
本设计的应用场合中一旦形成拓扑就不再轻易发生变动。例如会展时在每个展览品的底部添加传感器模块，那么在会展开始时让链路自动寻找路由，会展期问就无需再变动。所以单纯地向下递推一个空闲信道作为发送信道是完全可行的。安装网络时只要依地理位置的远近顺次开启传感模块开关，即可自组织一条路径。监控主节点与通用计算机以串口线相连，通过在通用计算机上运行监控程序，对节点信息进行分拣，实现对传感器数据进行管理。
2．3 新的无线传感器网络的改进
上一节介绍的多频多跳的无线传感器网络只是在实际运用中的一次简单尝试，重在实现。信道的分配只在最初网络初始化时进行一次。如果要在实际中进行大规模运用，还需考虑很多其他问题。具体而言，本文认为一个较为完善的认知无线电 ZigBee网络中的节点应该按照如下的过程进行通信：
①检测频谱空穴；
②依据空穴建立信道；
③数据传输；
④持续检测频谱空穴变动情况，情况不佳时更改信道使用；
⑤重复步骤②～④。
因为如果发送节点依据信道质量做出了调整，各个接收节点本身不知道发送节点所要采用的频率，可以另外设一个公用的信道用于协商对话。例如每个节点的 MC13192都选择16个信道中的第一个信道为公用信道，当它要改变信道时就在该公用信道上发送信息，说明要切换到的信道。
2．4 新的无线传感器网络的优势
采用多频多跳的组网方式解决了传统网络采用时分复用的方法对信道的利用率不高的问题，充分利用了现代高级无线射频芯片对信道占用情况的能量检测功能，从认知无线电的角度解决了传统组网应用的编程设置复杂、浪费信道资源、相邻节点无线信道相互干扰的问题。多频多跳的组网方式在小范围组建的无线传感器网络具有充分利用通信机会、组网简单、开发容易、邻节点干扰小、无需特殊同步路由算法的特点。传统的Ad-hoc中，MAC方案所采用的信道是静态分配的，而本文提出的新方案采用的信道是动态的。
结 语
认知无线电技术是在软件无线电技术基础上发展起来的一种新的智能无线电通信技术，它的提出为从根本上解决日益增长的无线通信需求与有限的无线频谱资源之间的矛盾，开辟了一条行之有效的解决途径。然而，Cog-nitive Radio技术从概念到应用尚面临很多挑战，尤其是许多关键技术有待突破。
本文将认知无线电思想在基于ZigBee的无线传感器网络上进行了尝试，建立起一种多频多跳的网络，从而有效地提高了频谱的利用效率，同时避免了同信道干扰。该组网方式无需复杂的同步、路由算法。此外本文给出了优化的完全动态频谱分配的ZigBee无线传感器网络解决方案。这一充分利用无线芯片多信道支持功能的思想也值得在其他无线技术中尝试。可以预见，随着研究的深入，一旦认知无线电技术投入使用，将提供更为灵活的频谱管理机制和更为高效的频谱利用率，以满足越来越强劲的频谱需求，为频谱资源越来越紧张的无线通信注入新的活力。
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