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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。

以Freescale公司的ZigBee射频芯片2．4 GHz的MC13192为例，其物理信道支持完全符合图1，通信时可以指定工作在一个信道上。在此特别指出，MC13192片内集成的CCA(空闲信道评估)模块可以根据接收到的基带信号的能量进行空闲信道评估检测。简单应用时可以直接调用Freescale公司提供的SMAC中的MLMEEner- gyDetect()原语，此函数的工作机理是在128μs内对信道进行能量积分和门限判别。通过调用MLMEEnergyDe-tect()可以检测到信道的信号能量。此外，SMAC中还有MLMELinkQuality()原语，该原语为评估链路质量所用。

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。