认知无线电思想在 ZigBee无线传感器网络中的应用

2014-2-22 22:21| 发布者: 闪电| 查看: 82| 评论: 0

摘要: 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 ...

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：

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。

参考文献

1. Mitola J.Gerald Q.Maguire J R Cognitive Radios:Making Software Radios More Personal 1999(4)
2. Notice of proposed rule making and order.FCC Et Docket no.03 322 2003
3. 郑红伟.周正超宽带技术在认知无线电中的应用研究 [期刊论文] -数据通信2006(2)
4. 韦海珍无线通信领域的"下一个大事件"——认知无线电 [期刊论文] -通信对抗2007(3)
5. 邹丽.张士兵超宽带与认知无线电结合的浅层分析 2007(20)
6. 王军.李少谦认知无线电:原理、技术与发展趋势 [期刊论文] -中兴通讯技术2007(3)
7. 陈林星.曾曦.曹毅移动AdHoc网络自组织分组无线网络技术 2006

作者：上海大学张欣贾明华来源：《单片机与嵌入式系统应用》 2009（7）

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