認知無線電思想在 ZigBee無線傳感器網絡中的應用

1 概 述
1．1 認知無線電簡介
隨著無線通信技術的發展，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問題。認知無線電(Cognitive Radio，CR)技術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備具有發現“頻譜空洞”，并合理利用所發現的“空洞”的能力。
認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)的進一步擴展。FCC(美國無線電委員會)認為，CR是能夠基于對其工作環境的交互改變發射機參數的無線電。研究當前主要文獻可知，CR應該具備進行頻譜感知、頻譜分析、頻譜判決選擇的認知功能，并且可以根據外部環境對自身的無線傳輸參數進行實時重構，以充分、合理地利用“空洞”，但不能對頻譜授權用戶造成有害干擾。
目前，CR實現動態頻譜管理的方法主要有兩種：一種是采用OFDM技術，在不產生干擾的基礎上工作；另一種是采用超寬帶UWB技術，在低于某個預定的、可接受的干擾噪聲下進行工作。這兩個方向的研究大都基于物理層對頻譜進行動態管理。事實上，研究工作不僅可以在物理層進行，也可以在MAC層及其高層實施。在現有的幾大無線通信標準中，如ZigBee、WLAN等，都基于多個不同頻率的信道。動態地、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 傳統的Ad-hoc方式無線傳感器網絡的不足
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，它通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統。其作用是協作地感知、采集和處理網絡區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。WSN通常選型為Ad-hoc網絡。
Ad-hoc網絡一般有兩種結構：平面結構和分級結構。平面結構中所有的節點處在同一頻率，要依靠復雜的路由算法和網同步方法獲得信息的有效傳輸。分級結構又可以分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網絡中只有一個通信頻率，所有節點使用同一個頻率通信。為了實現簇頭之間的通信，要有網關節點(同時屬于兩個簇的節點)的支持。簇頭和網關形成了高一級的網絡，稱為“虛擬骨干”。在多頻率分級網絡中，不同級采用不同的通信頻率。低級節點的通信范圍較小，而高級節點要覆蓋較大的范圍。高級節點同時處于多個級中，有多個頻率，用不同的頻率實現不同級的通信，但同一級內仍使用相同頻率。
以上這些同級同頻多跳的組網方式需要復雜的同步、路由算法的支持，為開發人員帶來很多不便。同頻多跳方式還會造成相鄰節點無線信號的相互干擾，而且傳統的同級單頻多跳的組網方式并沒有發揮出現代無線芯片可以支持多個不同頻率信道的優勢，造成了可用信道的閑置和浪費。從認知無線電的角度出發，傳統的組網方式在特定時間內存在較大“頻譜空洞”。

2 在ZigBee無線傳感器網絡中的應用
2．1 認知無線電在ZigBee技術中應用的可能性
ZigBee是一種新興的短距離、低功率、低速率無線接入技術。IEEE 802．15．4標準為ZigBee的發展制定了規范。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，大多數時間處于睡眠模式，更加適用于低功耗的傳感器網絡。
為了分析ZigBee技術中認知無線電的應用前景，對當前流行的ZigBee芯片的射頻應用支持情況加以分析。
如圖1所示，為了避免干擾，IEEE 802．15．4標準的物理層采用了3個頻段：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)。每個頻段的規范略有不同。2．4 GHz ISM頻段總共有16個不同的信道，最大數據傳輸速率為250 kb／s；915 MHz頻段有10個信道，最大數據傳輸速率為40kb／s；而868 MHz頻段只有1個信道，最大數據傳輸速率為20 kh／s。