面向电磁频谱监测的无线传感器网络

赵宾华 杨国瑞

摘要：无线电频谱资源是一种有限的、重要的国家战略性资源。在通信技术和网络技术高度发展的今天，人类对无线频谱资源的需求急剧膨胀，为保证频率资源的合理利用，有效地进行电磁频谱监测成为国家重要的研究课题。利用无线传感器网络进行频谱监测是该技术一个重要研究热点。在阐述电磁频谱监测现状和电磁频谱监测意义的基础上，提出面向电磁频谱监测的无线传感器网络总体架构和协议体系，阐述了各层的功能并对路由和协议进行了重点描述；介绍了节点功能的实现思路，阐述了硬件和软件的实现方案。

关键词：电磁频谱监测；分布式频谱监测；无线传感器网络；频谱感知

中图分类号：TN212文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）15-54-4

0引言

电磁频谱是电磁空间的重要资源，科技与社会的发展促进了无线射频技术的广泛应用，人为的电磁信号发射使得电磁空间变得拥挤和复杂[1]，如何对频谱信号进行灵活和有效的监管是困扰运营商的难题。在军事应用中，从如何避免多种装备电磁相互干扰和频谱重叠出发，进而到抵御外军的电磁频谱监测攻击和电磁杀伤[2]等，都对空间信号监控提出了新的需求。传统的无线电频谱监测多为单点式或集中式的台站监测，这些部署方式与电磁空间宽广的属性不一致，使其在应用上受到很大局限。随着物联网技术的发展，利用无线传感器网络进行电磁频谱信号的分布式监测的应用模式应运而生，频谱信号监测正在逐渐向基于低成本传感器协作网络构建的区域性频谱综合监测的方向演进[3-4]。

ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的双向无线通信技术，最大组网规模用户数可达65 536个，是无线传感器网络大规模组网的最佳选择，ZigBee工作于868 MHz，915 MHz，2.4 GHz三个频段，传输速率为10～250 KB/s，传输距离为10～75 m，ZigBee协议架构紧凑简单，实现要求低[5-7]；WiFi是一種小范围无线传输技术，可以支持几百米范围内的无线信号接入，具备传输速率高和覆盖范围广的优点，可以与ZigBee互为备份，确保传感监测网络的近距离通联。但是，ZigBee和WiFi是近程无线传输技术，需要高可靠性和传输速率适当的远程通信手段，才能实现频谱监测数据的大跨距传输。中国移动基于TD-LTE标准建成国内最大规模的4G移动通信网络，提供了一个良好的远距离无线传输平台，ZigBee、WiFi与TD-LTE技术结合，能实现广大地域内频谱监测节点向频谱监测中心上报监测数据。

1传感器网络电磁频谱监测系统架构

传感器网络电磁频谱监测系统采取分频段监测、分级汇总和告警上报相结合的工作模式，采用基于集中配置管理和处理的分级分布式传感器网络总体构架，分为电磁频谱感知层、信息汇聚层和信息处理中心层3级，系统各节点配置不同的通信模块，其中，电磁频谱感知层节点配备ZigBee通信模块，信息汇聚层节点配备WiFi和ZigBee通信模块，信息处理中心层节点配备TD-LTE和WiFi通信模块，采用感知无线电技术，实现节点间电磁频谱感知共存下的无线传输和组网，在系统完成频谱监测融合处理后，信息处理中心通过移动通信网络TD-LTE上报频谱监测中心，系统体系架构如图1所示。

各层功能如下：

（1）电磁频谱感知层

由各频谱感知节点构成，电磁频谱感知节点设备负责信号的检测、识别分类和特征提取。频谱传感器完成特定频段信号的监测，通过网络协同工作以满足整个频段的信号监测要求。多个频谱感知节点组成Ad Hoc的监测子网，子网内的感知节点可以通过ZigBee传输监测数据，频谱感知节点完成信号监测后，通过ZigBee将监测结果传送到信息汇聚节点。

（2）信息汇聚层

由多个传感器网络汇聚节点构成，汇聚节点具有一定程度的信息处理和传输能力，实现区域内频谱上报数据的聚合和管理，完成各种应用的实时处理、融合处理或存储处理。信息汇聚层对上通过TD-LTE和WiFi接入信息中心，对下可通过ZigBee接入多种电磁感知节点，通过TD-LTE和WiFi保障监测数据向信息中心传输。

（3）信息处理中心层

包括单个或多个信息处理中心节点，负责整个频谱监测系统的配置管理，提供分布式数据聚合和信息融合的能力，支持协同信号识别分类、定位和跟踪功能。信息中心节点通过TD-LTE和WiFi等方式与多个汇聚节点连接，通过有线或TD-LTE接入到频谱监测中心。系统可根据需要，由多个信息中心构成分布式信息处理平台，完成电磁频谱监测信息的查询和发布。

2协议体系结构

协议体系可分为组网协议栈、资源管理控制协议、应用服务协议和支撑服务等部分，如图2所示，组网协议栈主要包括物理层、媒体接入层、网络层和传输控制层，利用跨层信息的交互实现整体网络系统的性能改善，实现对监测数据的实时或近实时的QoS高效传输；资源管理控制统筹考虑业务传输需求和网络资源实际情况，实现上层业务数据与网络传输能力的最佳匹配，提供优化的资源配置和管理功能；应用服务协议主要面向频谱信号识别、定位跟踪及频谱态势等应用，提供接口调用，满足用户的订阅需求；支撑服务主要包括时间同步和节点定位，其中时间同步为各类节点提供统一工作时钟精度，支撑频谱监测数据融合处理，节点定位用于提供各类电磁频谱感知节点、汇聚节点的位置信息，确保频谱监测位置数据的准确性。

（1）分簇方式

电磁频谱监测采用分层处理与传送机制，感知节点将监测到的数据通过汇聚节点传送到信息中心。在监测过程中，无线传感器网络根据各感知节点接收各个汇聚节点信号的强弱程度划分为多个簇。首先，汇聚节点周期性地广播报文消息REQ，以宣示自己作为簇首节点的存在，每个感知节点认为发来报文REQ最早的汇聚节点信号最强，并回复该汇聚节点ACK报文，汇聚节点收到ACK之后则将该感知节点加入到自己的簇成员列表中。汇聚节点周期性地广播报文消息REQ，即使网络拓扑或网络所处环境发生变化对无线通信造成影响时，每个周期的开始都使整个网络簇内通信处于最优阶段。

（2）路由与协议

系统采用被动模式与主动模式结合的路由方法。簇内采用主动式路由协议，在簇建立完成后，每个感知节点只和自己的簇首通信，路由表只保留簇首的地址。簇首则通过各感知节点回复的ACK报文记录其簇内成员地址，在自己的路由表中记录下来，并通过周期性广播泛洪报文REQ使路由列表得到更新。

当有监测任务时，簇首直接在自己的路由列表中选择感知节点的地址，通知其执行频谱监测；簇间通信过程中，选择反应式的AODV作为组网协议，通过多跳传输将监测数据上报到信息中心节点。当感知节点将监测到的频谱数据传回自己的簇首汇聚节点后，汇聚节点需要将频谱数据传送到信息中心进行数据融合，此时汇聚节点发起泛洪报文RREQ寻找信息中心节点的存在，当信息中心节点或者拥有信息中心节点路由的汇聚节点收到该报文RREQ后，发送RREP到路由发起节点，发起节点对收到的RREP消息进行确认，防止出现路由环路。此时，多跳模式路由建立完成，可以完成汇聚节点到信息中心节点的通信。因此，感知节点监测到的频谱数据通过簇内和簇间通信传送到信息处理中心。

3节点功能实现

主要包括电磁频谱感知节点和信息汇聚节点功能的实现。

3.1电磁频谱感知节点功能实现

（1）硬件功能实现

电磁频谱感知节点硬件主要包括频谱监测模块、控制处理模块、通信模块和支撑模块（包括电源、时钟同步等）等，如图3所示。

频谱监测模块接收空间的电磁波能量转换为电信号，滤波后通过该模块的射频调谐器实现信号的变频和放大，最后通过采样和识别单元完成信号采样，获取信号属性的原始数据，完成信号搜索、分析和参数测量。控制与数据处理模块主要由控制与数据处理单元、程序存储器、数据存储器和调试接口单元等部分组成。无线接入通信模块主要包括射频收发模块、天线与放大器。电源模块负责给各硬件模块供电，以保证节点的正常工作。时钟模块主要提供节点设备内部的工作时钟，完成时钟精确同步功能。

（2）软件功能实现

电磁频谱感知节点设备的软件组成如图4所示，包括配置管理软件、监测数据处理软件、电磁频谱监测软件、无线接入通信软件和系统支撑软件等。

配置管理软件完成系统工作方式的管理、工作模式等参数配置、功耗管理、同步定位管理和外部接口的命令处理分析，并负责向汇聚和中心节点发送响应和状态上报消息。监测数据处理软件完成读取数据封装发送。电磁频谱监测软件完成电磁信号的获取和特征提取。无线接入通信软件包括路由组网软件和信道接入层软件；系统支撑软件包括系统维护、操作系统、硬件驱动等。

其中，操作系统选用TinyOS，设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高及鲁棒性好，可以适应不同的应用。频谱传感器节点对其内存大小、电源容量等硬件平台有严格的要求，TinyOS可以最大限度地減少应用所需的硬件资源，提高特定任务的实时性[8]。TinyOS的组件层次结构如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而高层的组件对这些数据进行编码和解码，更高层的组件负责打包、路由和数据传输[9]。

3.2汇聚节点功能实现

（1）硬件功能实现

汇聚节点硬件功能组成如图5所示，与感知节点硬件实现基本一致，不同之处在于频谱监测模块不包含电磁波频谱监测模块，只包含信道监听模块。

汇聚节点设备的频谱监测模块仅用于通信频带的电磁频谱监测，并根据监测结果确定本节点通信信道；无线接入与通信模块包含2套无线模块，分别用于与信息中心和电磁感知节点的通信；电源模块负责给节点上的各硬件模块供电，以保证节点的正常工作；时钟模块完成时钟精确同步功能。

（2）软件功能实现

汇聚节点设备的软件包括配置管理软件、监测数据处理软件、频谱数据融合软件、无线接入通信软件和系统支撑软件等，如图6所示。