无线电思想在ZigBee无线传感器网络中的应用

1、认知无线电思想在ZigBee无线传感器网络中的应用1 概 述11 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

2、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。12 传统的Ad-ho

3、c方式无线传感器传感器 凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 全文网络的不足 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

4、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

5、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内存 内存的正式叫法是内存储器，以此来与外存储器区分开。物理上它安装在计算机内部，通常安装在主板上，所以称为内存。它的作用是供暂时存储处理器需要处理的数据或处理后的结果，可见内存是计算机处理器的工作空间。它是处理器运行的程序和数据必须驻留于其中的一个临时存

6、储区域，是计算机十分重要的部件。 全文在较大“频谱空洞”。 2 在ZigBee无线传感器网络中的应用21 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 802154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 802154标准的物理层采用了3个频段：北美采用的24 GHz

7、 ISM频段和915 MHz频段，以及欧洲采用的868 MHz频段。故而IEEE 802154提供两种物理层的选择(868915 MHz和24 GHz)。每个频段的规范略有不同。24 GHz ISM频段总共有16个不同的信道，最大数据传输速率为250 kbs；915 MHz频段有10个信道，最大数据传输速率为40kbs；而868 MHz频段只有1个信道，最大数据传输速率为20 khs。以Freescale公司的ZigBee射频芯片24 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*估)模块可以根据

8、接收到的基带信号的能量进行空闲信道*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128s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*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

9、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24052480 GHz。22 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

10、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单片机 单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟

11、多路转换器、A/D转换器等电路）采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 全文MCUMCU MCU Microcontroller(微控制器)又可简称MCU 或 C,也有人称为单芯片微控制器(Single Chip Microcontroller),将ROM、RAM、 CPU、I/O 集合在同一个芯片中,为不同的应用场合做不同组合控制.微控制器在经过这几年不断地研究,发展,历经4 位,8 位, 到现在的16 位及32 位,甚至64 位.经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。 全文部分和射频部分、传感器部分共同组成。采用

12、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。图3中仅列出了最简单的组网方式。如果地形需要所有的传感器节点按线型排开(如在煤矿隧道中的传感网络)，则可以采用上述组网方法。组网采用的是 ZigBee技术，利用现代高级无线芯片(如Freescale公司的MC13192芯片)，每个节点可以在网络初始化时对所有信道进行能量检测，从而选择最干净的信道进行信号的发送或转发。如果地形复杂，传感器节点遍布，则可以采用一个转发节点负责周围几个传感器节点的方式，信道选择的编程基本思想不变。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

13、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。传感器节点的工作比较简单，只须在采到数据后添加自己的节点信息，以合适的数据格式将其以无线方式发出。而转发节点则需要实现收发双向功能。由于MC13192射频芯片在同一时间只能工作在一个信道频率，为实现信号跳转而不发生碰撞特制定如下步骤：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

14、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128s，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*估，最终选择质量最好的信道作为接收信道。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

15、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开关 开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 全文，即可自组织一条路径。监控主节点与通用计算机以串口串口 串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备的通信协议，并可用于获取远程采集设备的数据。 全文线相连，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。 23 新的无

16、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：检测频谱空穴；依据空穴建立信道；数据传输；持续检测频谱空穴变动情况，情况不佳时更改信道使用；重复步骤。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

17、在该公用信道上发送信息，说明要切换到的信道。24 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