无线传感器网络节能专利技术综述

高利军

(山西省科学技术情报研究所，山西 太原 030001)



综述与评论

无线传感器网络节能专利技术综述

高利军

(山西省科学技术情报研究所，山西 太原 030001)

摘要:介绍了无线传感器网络的专利申请态势，并基于专利申请以网络分层模型的形式梳理了无线传感器网络节能专利技术的各技术分支和典型专利技术，重点描述了针对数据传输的节能专利技术，并绘制了节能专利技术分支图，可以为相关领域的技术人员利用专利技术综述全面了解背景技术，理解技术实质并洞悉专利技术发展趋势提供帮助。

关键词：无线传感器网络； 节能； 网络分层模型； 综述

0引言

随着无线通信和分布式处理等技术的快速发展，无线传感器网络引起了人们的极大关注[1]。无线传感器网络集传感器技术、嵌入式计算技术及无线通信技术于一体，在国防军事、环境监测、城市管理、医疗卫生、工农业、反恐和救灾等领域都具有潜在的使用价值，成为当前的研究热点之一[2]。

以美国为代表的发达国家对无线传感器网络非常重视，美国各类杂志相继将其列入重要的未来新兴技术[3]。该技术在美国的专利申请数呈逐年递增态势，从2002～2007年始终保持高速增长，2008年至今增速有所放缓，但每年仍旧保持平稳增长，表明该领域技术活跃度非常高。从地域上看，向美国申请专利的来源国排名前三是美国、日本和韩国。从申请人来看，领先的5个公司分别是：三星电子株式会社、摩托罗拉公司、皇家飞利浦电子股份有限公司、霍尼韦尔国际公司和日本电气株式会社(NEC)。

我国的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动,但真正大规模研发开始于2004～2006年，期间专利申请开始稳步增长。2006年，无线传感器网络作为重大专项、优先发展主题、前沿领域被列入《国家中长期科学与技术发展规划(2006～2020)》，并成为重大专项“新一代宽带移动无线通信网”的重要方向之一。从2007年起专利申请呈现爆发性增长态势，发明专利授权量也显著增加。从地域来看，向中国申请专利的来源国主要是中国、美国、日本和韩国;从申请人来看，排名靠前的主要是国外大型企业和国内的科研院所，显示出目前我国对于无线传感器网络集中于理论研究，缺少相应的实践应用研究。

1无线传感器网络节能专利技术分支

无线传感器网络中的传感器节点体积微小，携带的电池能量十分有限，而其部署区域环境复杂，有些区域甚至人无法到达，重新充电或更换电池在大多数部署环境中几乎是不可能的。因此，如何高效使用能量来最大化网络生存周期是传感器网络的核心问题。通过在德温特专利数据库中进行检索，可以发现在该领域中有关节能技术的专利申请占全部专利申请的1/3以上，可见节能相关技术是该领域中一个非常重要的研究方向。

传感器节点一般包括数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、AC/DC转换器)等[4]。数据采集模块的能耗远远小于数据处理模块和通信模块的能耗，现有的节能专利技术主要针对数据处理和数据传输。基于对专利申请和本领域相关技术的分析对节能专利技术进行技术分解，绘制出如图1所示的节能专利技术分支图，将针对数据处理的节能技术分成两个方面，分别是硬件和软件，而与开放式系统互联OSI分层模型类似，将针对数据传输的节能技术分成物理层、MAC层、网络层和应用层四个方面。数据传输的能耗要大于数据处理的能耗，因此,针对数据处理的节能技术的节能效果不如针对数据传输的节能技术有效。下面主要介绍针对数据传输的节能技术。

1.1针对数据传输的节能技术

1.1.1物理层

物理层直接影响到发射接收电路的复杂度和能耗，研究的目标是以相对较低的功耗克服无线传输的损伤，设计出能获得较大链路容量的网络。物理层的研究主要包括接收检测、功率控制、频段选择和抗干扰等。

接收检测的典型技术是分集技术，通过混频器将接收信号分成多个信道，分别对多个信道进行低通滤波、自动增益控制、A/D转换和并行处理，提高信号检测灵敏度，从而降低节点的功耗(GB 2458908A，2009—10—7，CASTLE)。

功率控制是指节点在无线通信中选择最恰当的功率发送数据以有效降低自身能耗，包括直接设置和接收端反馈。直接设置包括广播多个不同的发射功率级别消息，每个消息以相应的发射功率级别发射；接收消息的节点按照接收的消息中最小的发射功率级别来设置其发射功率级别(US 2010142425A1，2010—6—10，财团法人工业技术研究院)。接收端反馈是在没有获得接收端反馈时，发射节点以最大功率发送数据，接收节点接收数据时计算无线信号强度指示值，将其包括在反馈信号中反馈给发射节点，发射节点根据接收的指示值调整发射功率级别，并按调整后的发射功率级别发射数据(US 2009168677A1，2009—7—2，韩国D&S技术株式会社)。

图1　节能专利技术分支图Fig 1　Branch diagram of patent technologies for energy saving

在传感器网络中传输数据时合理地选择频段，可以有效地改进数据传输的误比特率并减少重传，从而节约节点的功耗，包括对节点间传输数据的各个频段的功率谱密度进行周期性的测量，基于测量的结果选择适于可靠传输的频段进行数据传输(WO2010092152A1，2010—8—19，空中客车营运有限公司)。

在抗干扰方面，严重衰落信道下的发射机可以对数据应用非二进制和/或二进制的码片交织技术，这样即使降低发射功率也能达到可以接受的误比特率，因此，减少了需要的信号噪声比，保护了码片序列的正交性，改进了节点的能效(WO2012121614 A1，2012—9—13，奥克兰联合服务有限公司)。

1.1.2MAC层

MAC层为相互竞争的节点分配无线资源，是关系网络性能的关键技术[5]。通过设计有效的MAC协议，控制各个节点公平、有效地访问无线信道，可以降低整个网络的能耗。MAC层的研究集中在干扰规避、用户调度和休眠唤醒机制，其中从时间上看干扰规避出现较早，而从地域上看韩国申请人具有一定的优势。

干扰规避是共享信道前提下保证用户信噪比的有效方法。使用干扰规避后，节点只要对正在进行的传输不构成冲突，便可进行数据传输。干扰规避可以通过跳频技术来实现(US2005275530A1，2005—12—15，L·卡特斯)。干扰规避也可以通过发送信标来实现，节点通过发送信标来确定该时间在信标周期中是否安全，以有效避免信标碰撞，减少不必要的信标发送带来的功耗(US2006104251A1，2006—5—18，三星电子株式会社)。

用户调度是根据一定的规则为各个用户节点分配各自的工作时隙，使不同的用户节点占据不同的时隙，包括集中调度和预留调度，这两种方法都是以时分多址(TDMA)为主要手段。集中调度首先出现，包括基于信道质量为多个节点分配时隙，确定每个节点的电量和所有节点的平均电量之间的差，如果差高于阈值，则为相对于其他节点具有更高电量的节点分配更多的时隙(US2008212557A1，2008—9—4，摩托罗拉公司)。预留调度是先通过信令消息预留时隙然后在预留的时隙发射消息，如在第一周期从一个节点接收预留信息，基于第一周期中的预留信息在该节点上广播信道分配信息，使得该节点在第二周期执行数据传输(US2010142497A1，2010—6—10，韩国电子通信研究院)。

节点在发射数据及空闲侦听时会消耗大量电力，因此,合理地设计休眠唤醒机制可以减少数据发射时间并增加休眠时间，从而显著降低节点的功耗。休眠唤醒机制包括唤醒机制和预定机制。对于唤醒机制，可以在节点中使用唤醒设备，通过唤醒设备接收和检测唤醒信号，从唤醒信号中检测唤醒地址，并且对该唤醒地址与从管理该节点的服务器提供的唤醒地址进行比较和验证，若验证通过，则该唤醒设备输出唤醒信号(KR20090065152A，2009—6—22，韩国电子通信研究院)。对于预定机制，可以对节点设置预定休眠频率和休眠时间，经过该休眠时间后，唤醒预定节点，对通信信道进行探测：当发现有数据要发送时，则发送数据；当发现通信信道中存在预定导引头数据时，则先接收数据，然后再发送数据；当未发现存在预定导引头数据，且未发现有数据要发送时，则继续进入休眠状态(CN102833828A，2012—12—19，美新微纳传感系统有限公司)。

1.1.3网络层

网络层协议主要负责数据路由。数据路由用于将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。合理地设计路由协议能高效地利用能量，达到延长网络生存期的目的。路由协议可以分为平面路由协议和分层路由协议两种[6]，其中平面路由协议的出现早于分层路由协议，在平面路由协议方面，日本申请人占据一定的优势，而在分层路由协议方面，则是欧美申请人较为主动。

平面路由协议是指在路由过程中，所有节点的地位是相同的，按照相同的策略进行路由发现和数据转发。通常根据一些度量指标来选择路由，如使用最小跳数，各个节点以固定时间间隔交换路径信息，从可访问的节点获得跳数信息，选择可以使其跳数最小的可访问节点作为下一跳连接目的地，从而节约消息转发中的能耗(JP2001237764A，2001—8—31，日本电信电话株式会社)。

然而，在上述最小跳数路由方法中由于节点间周期性的交换路径信息，节点能耗仍然比较大。因此，日本电气株式会社提出了一种改进技术，包括基站向多个节点传送检测信号；接收到检测信号的每个节点传送检测响应信号，并作为针对另一节点的检测信号，每个检测响应信号均包括节点标识符；接收到来自节点的检测响应信号之后，基站根据其中的标识符，将该节点识别为属于该基站的节点；在下游节点从上游节点接收到检测响应信号的情况下，下游节点向上游节点传送检测响应信号；当从下游节点接收到检测响应信号时，上游节点向基站传送表示该下游节点的标识符，由此减少了节点之间的频繁信息交换，降低了网络的能耗(JP2005094530A，2005—4—7，日本电气株式会社)。

不同于平面路由协议，分层路由协议中各节点在网络中分别扮演不同的角色。霍尼韦尔国际公司首先提出了基于能量感知的分层路由方法，包括将节点按一定规则分成多组，其中每组都有一个节点作为网关用于将该组每个节点的数据转发到控制节点，然后在每个网关建立全组的路由表，且在每个节点建立相对较小的路由表，接下来监测每个节点的可用能量，最后根据每个节点的可用能量的变化来相应地重新建立前述的路由表(US2003063585A1，2003—4—3，霍尼韦尔国际公司)。分层路由也叫分簇路由，具有可扩展性强、能量利用高效、数据融合简单等优点[7]。

虽然上述的分层路由协议一定程度地降低了每组节点的能耗，但由于每组节点都有一个节点作为网关来协调该组全部的工作，如果网关被损坏会对该组乃至整个网络的能效造成很大的影响。因此，皇家飞利浦电子股份有限公司提出了为节点寻找备份节点的方法。首先，确定该节点处于待备份状态，即该节点电量低于预定值，然后，在该待备份节点的多个邻近节点中确定一个代理节点，由该代理节点代表该待备份节点来寻找备份节点。由此待备份节点不需要自己去和大量节点进行通讯来寻找备份节点，可以使网络在最大限度地延长节点寿命和不影响该网络能效之间取得更好的平衡(WO2006061735A2，2006—6—15，皇家飞利浦电子股份有限公司)。

分层路由的关键在于分组或分簇的确定，根据网络环境的变化动态改变分组或分簇，可以有效改善整个网络的能效。摩托罗拉公司对分层路由协议进行了改进，可以根据节点电量对节点重新进行分组，包括确定每个节点的电量和所有节点的平均电量之间的差，如果差高于阈值，则对该多个节点重新进行分组，以使所有节点组上的平均电量的变化最小化(US2008211666A1，2008—9—4，摩托罗拉公司)。

2结论

从20世纪末开始，伴随短距离通信和微机电系统等技术的应用逐渐形成的无线传感器网络正处于高速发展阶段，作为重要技术构成的无线传感器网络节能技术的发展

也很迅速。本文基于对专利申请和本领域相关技术的分析对无线传感器网络节能专利技术进行了技术分解，绘制出了无线传感器网络的节能专利技术分支图，根据网络分层模型梳理了各个主要技术分支及相关技术分支下的代表专利技术，并重点介绍了针对数据传输的节能技术，可以为相关领域的技术人员全面了解背景技术，理解技术实质并洞悉专利技术发展趋势提供帮助。

参考文献:

[1]李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007:1-10.

[2]张馨,乔晓军,刘恩，等.无线传感器网络技术研究[J].农机化研究,2006(4):57-62.

[3]WeiserM.Thecomputerforthetwenty-firstcentury[J].Scienti-ficAmerican, 1991, 265(3): 94-104.

[4]WangA,ChandrakasanA.Energy-efficientDSPsforwirelesssensornetworks[J].IEEESignalProcessingMagazine,2002,19(4):68-78.

[5]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:76-123.

[6]LiuY,ChenX,LongC,etal.Improvementofhierarchicalroutingalgorithmforheterogeneouswirelesssensornetworks[J].JournalofComputationalInformationSystems,2012,8(10):4143-4150.

[7]BoyinbodeO,HanhL,MboghoA,etal.Asurveyonclusteringalgorithmsforwirelesssensornetworks[C]∥Proceedingsof2010 13thInternationalConferenceonNetwork-BasedInformationSystem,Takayama:IEEE,2010:358-364.

Survey on patent technologies of wireless sensor networksfor energy saving

GAO Li-jun

(Institute of Scientific & Technical Information of Shanxi Province,Taiyuan 030001,China)

Abstract:Patent application state of wireless sensor networks(WSNs)is introduced,various technology branches and typical patent technologies of WSNs for energy saving are tidied up based on patent applications in form of network hierarchical model,patent technologies for saving energy aiming at data transmission are described especially,and a branch diagram of patent technologies for energy saving is drawn,thereby provide helps to person skilled in the art for learning background technology entirely,understanding technical essential,and discerning patent technology developing trend by using the technology survey.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); energy saving; network hierarchical model; survey

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0001—03

收稿日期：2015—09—14

中图分类号：TN 919

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0001—03

作者简介:

高利军(1982 -)，男，山西忻州人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络。