《電子技術(shù)應(yīng)用》
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能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
焦萬果,,李昱融,,周 雯
南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京210037
摘要: 能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)采用能量收集技術(shù)和認(rèn)知無線電技術(shù)來解決節(jié)點(diǎn)能量的不足和頻譜資源的匱乏,,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)有效工作,。然而,由于能量收集過程和可用頻譜資源動態(tài),、隨機(jī)變化的特征,,該網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)資源管理方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。首先介紹了能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的背景,,然后對現(xiàn)有研究工作進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié),,進(jìn)而討論現(xiàn)有的研究不足和可能解決方法及未來的研究方向。
中圖分類號: TN929.5,;TP212.9
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180940
中文引用格式: 焦萬果,,李昱融,,周雯. 能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(10):23-28.
英文引用格式: Jiao Wanguo,,Li Yurong,Zhou Wen. Overview of energy harvesting cognitive radio sensor networks[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(10):23-28.
Overview of energy harvesting cognitive radio sensor networks
Jiao Wanguo,Li Yurong,,Zhou Wen
School of Information Science and Technology,,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,,China
Abstract: In energy harvesting cognitive radio sensor networks(EHCRSNs), energy harvesting supplies continual energy to eliminate the limitation of limit-battery sensor, while cognitive radio mitigates the scarcity of spectrum resource. Hence, the operation of EHCRSNs can be continually and effectively executed. However, due to the dynamic and stochastic property of the energy harvesting progress and the available spectrum, there are some significant challenges in the area of network resource management of EHCRSNs. This paper will firstly introduce the background of EHCRSNs. Then, the research on EHCRSNs is systematically summarized and discussed. At last, we point out limitations of these studies and possible future research directions.
Key words : wireless sensor networks,;energy harvesting;cognitive radio,;resource management

0 引言

    自20世紀(jì)90年代起,,綜合了微電子、無線通信,、現(xiàn)代傳感技術(shù),、嵌入式計算等多個學(xué)科的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)引起了廣泛關(guān)注和研究[1],。近年來,,作為物聯(lián)網(wǎng)神經(jīng)末梢的WSNs[2],隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和發(fā)展,,其理論和應(yīng)用研究越來越被重視,。

    典型的WSNs由一系列傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink節(jié)點(diǎn)),、網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)組成,。傳感器節(jié)點(diǎn)通過多跳中繼方式,將收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚到sink節(jié)點(diǎn),,然后sink節(jié)點(diǎn)將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)發(fā)送給任務(wù)管理中心,,完成對特定區(qū)域信息的收集、監(jiān)測和分析,。通常,,傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信是利用公共頻段完成的,然而,,隨著無線通信的發(fā)展,,這個頻段日益擁擠,傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信不僅受到自身節(jié)點(diǎn)間的干擾,,還受到來自其他應(yīng)用類型網(wǎng)絡(luò)日益嚴(yán)重且不可控的干擾[3],。根據(jù)Gartner公司的報告,,到2020年,互聯(lián)設(shè)備將達(dá)到250億,,多種應(yīng)用重疊覆蓋區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)將遭受非常嚴(yán)重的干擾,。基于認(rèn)知無線電技術(shù)在緩解頻譜匱乏方面的潛能,,利用認(rèn)知無線電技術(shù)解決頻譜匱乏給傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來的干擾是一種可行的方法,。通過給傳感器節(jié)點(diǎn)配置認(rèn)知無線電模塊,使其可以檢測授權(quán)頻譜的狀態(tài),,機(jī)會式利用空閑的授權(quán)頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。具有認(rèn)知無線電模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò),稱為認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Sensor Networks,,CRSNs)[3],,不再受到來自公共頻段的信號干擾。

    雖然CRSNs不再遭受頻譜匱乏帶來的傳輸干擾,,但CRSNs中的節(jié)點(diǎn)需要消耗額外的能量來實現(xiàn)認(rèn)知無線電的功能,,例如頻譜檢測、頻譜切換等,,這對于一般采用不易更換電池來供電的傳感器節(jié)點(diǎn),,能量不足問題變得更加嚴(yán)峻。因此,,相對于傳統(tǒng)的WSNs,,節(jié)點(diǎn)能量不足引起的CRSNs的網(wǎng)絡(luò)生存期問題變得更加迫切。為了克服節(jié)點(diǎn)不足,,保證網(wǎng)絡(luò)能夠持續(xù)有效地運(yùn)行,,在過去的幾年中,能量收集技術(shù)開始被傳感器節(jié)點(diǎn)采用,。采用能量收集技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),,被稱為能量收集傳感器網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting Sensor Networks,,EHSNs)[4],。在EHSNs中,利用能量收集技術(shù),,傳感器節(jié)點(diǎn)可以收集周圍環(huán)境中的可再生能量為自身供電,,例如太陽能、風(fēng)能,、震動能等[5],。節(jié)點(diǎn)從周圍環(huán)境中源源不斷地獲得能量,傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期可以得到有效延長,,甚至實現(xiàn)持續(xù)有效運(yùn)行,。然而,,工作在公共頻段上的EHSNs同樣面臨頻譜資源不足的問題。鑒于WSNs的解決方法,,可將認(rèn)知無線電技術(shù)引入EHSNs,,該傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting Cognitive Radio Sensor Networks,EHCRSNs)[6],。在EHCRSNs中,,頻譜資源和能量資源得到了持續(xù)的供給,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足,,然而作為一種新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)形式,,EHCRSNs也面臨著各種挑戰(zhàn),有很多問題亟待解決,。本文首先介紹EHCRSNs的特征以及所面臨的挑戰(zhàn),,然后對現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行分類和總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,,討論目前未解決的問題及可能的解決方法,,并指出EHCRSNs未來的發(fā)展趨勢以及可能的研究方向。

1 能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)

    EHCRSNs采用能量收集技術(shù),,以周圍環(huán)境的能量作為能源,,實現(xiàn)能量自給自足的綠色通信;利用認(rèn)知無線電技術(shù),,機(jī)會式占用空閑的頻譜資源,,不需要分配額外的頻譜資源,且可以提高已分配頻譜資源的頻譜利用率,,因此EHCRSNs是一種綠色高效的傳感器網(wǎng)絡(luò),,有很多典型的應(yīng)用,例如用于室內(nèi)數(shù)據(jù)收集[7],,用于健康監(jiān)測的體域網(wǎng)(BSN)[8],,智能電網(wǎng)[9],智慧城市的實時監(jiān)控[10]等,。

    相較于其他傳感器網(wǎng)絡(luò),,EHCRSNs具有一些新的特征,例如動態(tài)的頻譜資源和能量資源,。從可用能量,、可用頻譜、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),、傳感器節(jié)點(diǎn)和承載業(yè)務(wù)5個方面對EHCRSNs的網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行總結(jié),,如表1所示。

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    從表1可以看出,EHCRSNs具有傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征,,也有一些新的網(wǎng)絡(luò)特征,,這些新的特征表明其在能量資源和頻譜資源的獲得上更加靈活,為傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來潛能和新的機(jī)遇,。與此同時,,EHCRSNs也面臨著新的挑戰(zhàn),例如,,EHCRSNs的傳感器節(jié)點(diǎn)需要增加認(rèn)知無線電模塊,、能量收集模塊和充電裝置,對于尺寸受限的傳感器節(jié)點(diǎn)來說非常困難,;外界環(huán)境的不確定性和時變性導(dǎo)致能量收集過程難以預(yù)測,,如何充分利用和有效管理收集的能量變得非常具有挑戰(zhàn)性。隨著能量收集技術(shù)的發(fā)展,,傳感器節(jié)點(diǎn)不僅可以收集自然環(huán)境中的太陽能,、風(fēng)能、熱能等,,還可以利用接收的電磁波中的能量進(jìn)行充電[11],,例如來自TV、廣播,、WiFi,、移動終端等的無線信號。更進(jìn)一步,,傳感節(jié)點(diǎn)可采用無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,,SWIPT)技術(shù)[12],通過發(fā)射信號,,實現(xiàn)能量和信息從一個設(shè)備到另一個設(shè)備的無線轉(zhuǎn)移,,并且這種能量轉(zhuǎn)移是可控的。EHCRSNs的節(jié)點(diǎn)采用SWIPT時,,能量收集技術(shù)和認(rèn)知無線電技術(shù)不再獨(dú)立工作,,而是相互結(jié)合。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測信道忙時,,不再是單純地等待,,而是利用接收的主用戶信號進(jìn)行充電;當(dāng)主用戶不再使用信道時,,傳感器節(jié)點(diǎn)利用收集的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。甚至,,傳感器節(jié)點(diǎn)還可以和主用戶進(jìn)行協(xié)作,,作為主用戶的解碼-轉(zhuǎn)發(fā)中繼。傳感器節(jié)點(diǎn)首先利用接收到的主用戶發(fā)送信號進(jìn)行充電;然后,,利用收集到的部分能量幫助主用戶發(fā)送數(shù)據(jù),;利用剩余的收集能量將自身的數(shù)據(jù)發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)或sink節(jié)點(diǎn)。由此可見,,隨著技術(shù)的發(fā)展,,在EHCRSNs中,頻譜資源和能量資源不再是兩個單獨(dú)的資源,,這與其他傳感器網(wǎng)絡(luò)明顯不同,,因此,EHCRSNs面臨的資源管理問題也具有獨(dú)特性,。4種典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的頻譜資源和能量資源以及面臨的網(wǎng)絡(luò)資源管理難點(diǎn)如表2所示,。

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    在表2中,僅列出了不同網(wǎng)絡(luò)類型所遇到的不同困難,,除了上述困難外,,作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同形式,它們還面臨一些共同困難,。例如,,分布式的組網(wǎng)方式要求設(shè)計的資源管理算法必須能夠分布式運(yùn)行;傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力有限要求設(shè)計的算法需要較低的復(fù)雜度等,。

    綜上所述,,EHCRSNs是一種新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)形式,具有巨大的應(yīng)用空間和發(fā)展?jié)撃?,也面臨著很多挑戰(zhàn),,尤其是在資源管理方面。下面,,對現(xiàn)有EHCRSNs研究進(jìn)行歸納總結(jié),,重點(diǎn)介紹在資源管理方面取得的研究成果。

2 能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

    目前,,關(guān)于EHCRSNs的研究集中在兩個方面:傳感器的設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)資源的管理,。在傳感器設(shè)計方面,已經(jīng)有基于太陽能[13],、風(fēng)能[14],、生物能[15]、電磁波[16]等能源的能量收集傳感器原型機(jī)或設(shè)備被設(shè)計和生產(chǎn)出來了,,采用認(rèn)知無線技術(shù)的傳感器設(shè)計有很多豐富的成果,。但是目前具備能量收集和頻譜檢測能力的傳感器設(shè)計還是空白,僅有理論模型的提出[17],,還沒有具體設(shè)備,。

    資源管理問題一直都是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要研究領(lǐng)域,經(jīng)過多年的研究,針對WSNs的資源管理已經(jīng)取得了豐富的研究成果[18],。隨著近年來對能量收集技術(shù)和認(rèn)知無線電的關(guān)注,,研究者們對EHSNs和CRSNs開展了大量的研究和探索。例如,,針對EHSNs的特點(diǎn),,研究者們提出相應(yīng)的多址接入控制算法[19]、路由協(xié)議[20],、休眠調(diào)度算法[21],,以及用于移動數(shù)據(jù)收集的算法架構(gòu)[22]等。同樣,,在CRSNs協(xié)議設(shè)計方面,,很多適用于CRSNs的路由協(xié)議和多址接入?yún)f(xié)議被提出,在文獻(xiàn)[23]中,,作者對CRSNs資源管理方面的研究進(jìn)行了全面的總結(jié),。由于采用能量收集技術(shù)和認(rèn)知無線電技術(shù),EHCRSNs中能量資源和頻譜資源均是動態(tài)的,,且難以預(yù)測,。傳感器節(jié)點(diǎn)通過消耗能量來進(jìn)行頻譜檢測,從而獲得傳輸機(jī)會,,在足夠剩余能量的保證下,,傳感器節(jié)點(diǎn)才能利用這個機(jī)會傳輸收集的數(shù)據(jù);否則,,即便是有傳輸機(jī)會,,傳感器節(jié)點(diǎn)也將因為沒有足夠的能量而無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)收集。EHCRSNs的網(wǎng)絡(luò)資源管理和分配,,需要聯(lián)合考慮信道檢測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯?,及動態(tài)的能量收集過程和隨機(jī)的可用頻譜資源。因此,,針對EHSNs和CRSNs設(shè)計的算法無法適用于EHCRSNs,。根據(jù)EHCRSNs的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),研究者們在EHCRSNs資源管理方面的研究已經(jīng)取得了一些成果,。

2.1 聯(lián)合頻譜和能量管理的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化

    為了簡化傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計,,降低網(wǎng)絡(luò)布設(shè)成本,存在這樣的異構(gòu)EHCRSNs:一些傳感器節(jié)點(diǎn)僅依靠電池進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和發(fā)送,,一些傳感器節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行能量收集和頻譜檢測,。基于能量收集的頻譜檢測節(jié)點(diǎn)通過協(xié)作等方式檢測信道狀態(tài),,最大化被檢測信道的可用時間,;數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)利用檢測到的可用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。然而,在這兩類節(jié)點(diǎn)工作過程中,,能量收集和消耗的不平衡會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)因能量不足而中斷,這不僅會降低頻譜檢測節(jié)點(diǎn)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度,,也會降低數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸效率,,從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的性能。更進(jìn)一步,,頻譜檢測過程也會影響數(shù)據(jù)傳輸過程的能量效率:信道檢測所用的時間越長,,信道接入時間就越短,而信道檢測時間越長,,檢測結(jié)果的精度會越高,,數(shù)據(jù)傳輸遇到碰撞的概率就會相應(yīng)地降低。針對這種異構(gòu)EHCRSNs的資源管理問題,,文獻(xiàn)[24]提出了一種聯(lián)合時間分配和功率控制的資源分配算法,,通過最大化信道可用時間和最小化數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量消耗,實現(xiàn)頻譜檢測節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作,,數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量效率最高,。

    當(dāng)頻譜檢測和數(shù)據(jù)收集同時在一個節(jié)點(diǎn)上實現(xiàn)時,信道檢測時間與信道傳輸時間和傳輸效率之間的矛盾更加突出,。如果傳感器節(jié)點(diǎn)使用較保守的功率分配策略將會限制節(jié)點(diǎn)的性能且不能充分地利用能量收集的增益,,而采用冒進(jìn)的功率分配策略則會導(dǎo)致電池內(nèi)的能量被消耗殆盡,無法支持未來的數(shù)據(jù)傳輸,。文獻(xiàn)[25]提出了一種自適應(yīng)的信道檢測時間和發(fā)送功率調(diào)整策略,,根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài):電池內(nèi)剩余能量、信道狀態(tài)和對能量收集結(jié)果的預(yù)測,,調(diào)節(jié)信道檢測時間和節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率,,最小化節(jié)點(diǎn)的中斷概率,保證網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運(yùn)行,。

    在有些情況下,,通過布設(shè)收集能量節(jié)點(diǎn)來簡化傳感器設(shè)備的復(fù)雜度:能量收集節(jié)點(diǎn)將收集到的能量利用帶內(nèi)能量傳輸,發(fā)送給具有認(rèn)知功能的傳感器節(jié)點(diǎn),。然而,,能量傳輸所用的信道與主用戶之間、傳感器節(jié)點(diǎn)與sink之間的通信是相同的信道,,因此,,主次用戶間和傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部均存在干擾。NOBAR S K等提出了一種接入控制算法[26],,該算法在保障主用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下,,通過平衡節(jié)點(diǎn)能量收集與消耗,,控制能量節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的干擾,來最大化傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速度,。

    然而文獻(xiàn)[26]沒有考慮節(jié)點(diǎn)位置之間的關(guān)系,,節(jié)點(diǎn)間的干擾強(qiáng)度、能量收集效率以及頻譜檢測性能等均與信道條件有關(guān),,尤其是節(jié)點(diǎn)間的距離,。因此,節(jié)點(diǎn)間的距離關(guān)系是影響網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要因素,。選擇位置不同的傳感器節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行協(xié)作頻譜檢測將會影響檢測結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)性能,,ZOU Y等[27]通過設(shè)計一種休眠調(diào)度機(jī)制,在不同的時隙,,選擇最優(yōu)的傳感器節(jié)點(diǎn)集合來進(jìn)行協(xié)作頻譜檢測,,從而平衡能量的消耗,延長網(wǎng)絡(luò)的生存期,。除了節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系之外,,節(jié)點(diǎn)的密度以及節(jié)點(diǎn)的分布規(guī)律也是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素,其中泊松點(diǎn)過程(Poisson Point Process,,PPP)是一種描述傳感器節(jié)點(diǎn)分布規(guī)律的典型模型,。文獻(xiàn)[28]在二維的PPP假設(shè)(即主用戶和傳感器節(jié)點(diǎn)分布均是PPP)下,分析了影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)發(fā)射成功傳輸概率的因素,,并提出相應(yīng)的優(yōu)化算法,,在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求的前提下,改善傳感器網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)成功傳輸概率,。

    除了對網(wǎng)絡(luò)某個特定性能優(yōu)化外,,還有一類研究是對網(wǎng)絡(luò)效用進(jìn)行優(yōu)化[6,29],。文獻(xiàn)[6]提出了一種網(wǎng)絡(luò)效用優(yōu)化框架,,用于進(jìn)行在線的能量管理、頻譜管理和資源分配,,在保證數(shù)據(jù)隊列和能量隊列穩(wěn)定性的同時,,實現(xiàn)能量消耗和能量收集過程的動態(tài)平衡;在保證了授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量前提下,,優(yōu)化了頻譜效率,。文獻(xiàn)[29]通過設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù),控制數(shù)據(jù)采集速率和進(jìn)行信道接入調(diào)度,,實現(xiàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率和服務(wù)速率的匹配,,但是這些工作均沒有考慮動態(tài)路由協(xié)議的影響。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)模式選擇

    RF(Radio Frequency)能量收集技術(shù)是一種重要的能量收集技術(shù),,其不僅可以進(jìn)行能量收集,,還可以作為能量傳遞的重要手段,,有工作表明[30]采用RF能量收集技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò),通過設(shè)計合理的分布式接納控制算法,,其吞吐量可以提高300%,,節(jié)點(diǎn)平均能量可以增加100%。采用RF能量收集技術(shù)時,,傳感器節(jié)點(diǎn)不僅可以以鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號作為能量來源,,還可以以主用戶的無線電信號作為能量的來源。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)以主用戶的發(fā)送信號作為能量來源時,,由于無法同時進(jìn)行能量收集和信道接入,,節(jié)點(diǎn)面臨這樣的問題:在某個時刻,,到底是接入空閑信道還是進(jìn)行能量收集,?即傳感器節(jié)點(diǎn)工作模式的選擇。最優(yōu)的模式選擇應(yīng)該達(dá)到這樣效果:信道空閑時,,有足夠的能量發(fā)送盡可能多的數(shù)據(jù),;主用戶占用信道時,能收集盡可能多的能量,。然而,,傳感器節(jié)點(diǎn)無法知道每個時隙信道的確切情況,僅能夠利用一些歷史信息和經(jīng)驗消息判斷出信道處于空閑或者占用狀態(tài)的概率,。在文獻(xiàn)[31]中,,作者用部分可觀察馬爾科夫決策過程來描述節(jié)點(diǎn)工作模式選擇問題,得到了節(jié)點(diǎn)工作模式最優(yōu)選擇策略,,實現(xiàn)了能量緩存和當(dāng)前的吞吐量的平衡,。JAIN N等[32]提出了一種兩階段的能量收集和頻譜共享策略,將節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)分為兩個階段:第一階段接收主用戶信號,,進(jìn)行能量收集,;第二階段用收集到的能量傳輸自身數(shù)據(jù)以及主用戶數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[31]和[32]僅考慮一跳節(jié)點(diǎn)的情況,,文獻(xiàn)[33]則在多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中研究模式選擇的問題,,通過設(shè)計最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法以及確定最佳充電時間長度,實現(xiàn)最小化傳感器節(jié)點(diǎn)的中斷概率,。在此基礎(chǔ)上,,當(dāng)多跳路徑確定時,文獻(xiàn)[34]通過分配節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率和優(yōu)化節(jié)點(diǎn)能量收集時間,,在保證主用戶傳輸要求下,,最大化傳感器網(wǎng)絡(luò)的端到端吞吐量。

3 能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的研究方向

    現(xiàn)有研究表明EHCRSNs在網(wǎng)絡(luò)生存期,、吞吐量,、網(wǎng)絡(luò)效用等方面都具有巨大的提升潛力,。目前,對于該網(wǎng)絡(luò)的研究還處于初級階段,,還有很多問題沒有解決,,例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)的設(shè)計、能量資源的動態(tài)平衡,、能量資源和頻譜資源效率的折中,、能量收集效率不高等。

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

    為了適應(yīng)EHCRSNs的特征,,需要重新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議架構(gòu),。首先,物理層協(xié)議設(shè)計,,一方面需要將一些新的物理層技術(shù)引入傳感器網(wǎng)絡(luò)來提高物理層傳輸效率,;另一方面要協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和頻譜檢測對物理層的不同要求,尤其是在基于RF能量收集技術(shù)的EHCRSNs中,,還需要考慮能量收集效率與物理層特性的關(guān)系,。其次,在多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計方面,,在EHCRSNs中,,信道的動態(tài)接入必須考慮能量管理,尤其是采用RF能量收集技術(shù)時,,節(jié)點(diǎn)所能收集的能量取決于所接入信道的信號強(qiáng)度,。此外,所設(shè)計的多址接入?yún)f(xié)議,,除了要實現(xiàn)信道接入機(jī)制與動態(tài)的信道狀態(tài)匹配,,還需要控制鄰居節(jié)點(diǎn)的接入信道和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間,及確定接收信號用于解碼和能量收集的比例,。節(jié)點(diǎn)的接入控制策略還將影響多跳網(wǎng)絡(luò)的端到端性能,,需要確定其影響方式,進(jìn)而在保證端到端性能的基礎(chǔ)上,,確定節(jié)點(diǎn)的接入策略,。在路由協(xié)議設(shè)計方面,由于EHCRSNs具有能量的動態(tài)變化,、能量分布的非均衡和頻譜檢測結(jié)果與地理位置緊相關(guān)等特性,,如果直接采用現(xiàn)有路由協(xié)議,不僅無法有效地利用認(rèn)知無線電技術(shù)帶來的頻譜增益和能量收集技術(shù)收集到的能量,,還可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)重下降,。因此,已有路由協(xié)議不能直接用于EHCRSNs中,,需要設(shè)計新的自適應(yīng)動態(tài)路由協(xié)議,。

    此外,,在分布式多跳網(wǎng)絡(luò)中,動態(tài)的信道接入不僅需要考慮主次用戶間的干擾,,同時還應(yīng)盡量避免節(jié)點(diǎn)間的同頻干擾,,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)路由協(xié)議時,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?,?jié)點(diǎn)間干擾及能量傳遞關(guān)系也不斷變化,,需要考慮跨層協(xié)議設(shè)計,實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)接入與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)適應(yīng),。

3.2 能量緩存和網(wǎng)絡(luò)性能的動態(tài)平衡

    傳感器網(wǎng)絡(luò)特殊的組網(wǎng)形式導(dǎo)致了能量消耗的不平衡:越接近sink節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn),,承擔(dān)的中繼業(yè)務(wù)越繁重,為傳輸中繼業(yè)務(wù),,這些節(jié)點(diǎn)需要消耗更多的能量,,導(dǎo)致了能量瓶頸區(qū)域的出現(xiàn),即產(chǎn)生了能量空洞問題,。已有一些方法用于解決能量空洞問題,,文獻(xiàn)[35]提出的自適應(yīng)周期性休眠算法,,文獻(xiàn)[36]提出的基于剩余能量的路由策略,,但這些算法需要花費(fèi)很大的開銷用于同步和維護(hù)。

    采用SWIPT技術(shù)的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的同時,,可以進(jìn)行能量傳遞,。利用SWIPT技術(shù),離sink節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn),,可以利用接受中繼業(yè)務(wù)時收集的能量,,來發(fā)送這些中繼業(yè)務(wù),從而避免能量空洞的產(chǎn)生,。但是,,采用SWIPT技術(shù)后,網(wǎng)絡(luò)又面臨兩個新的挑戰(zhàn),。首先,,信息的發(fā)送和能量的傳輸都會遇到信道衰落和路徑損耗,因而它們對信道質(zhì)量和傳輸距離都非常敏感,,這就要求設(shè)計基于SWIPT的機(jī)制時,,需考慮動態(tài)的信道狀態(tài)和傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離。其次,,一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)彼此之間是不一致的,,甚至是矛盾的,例如網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和能量的保持,。采用SWIPT技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò),,其數(shù)據(jù)傳輸和能量傳遞是基于相同的,、有限的頻譜資源,在有些情況下,,它們是此消彼長的關(guān)系,。因此,在設(shè)計資源分配策略時,,需要在吞吐量,、端到端延時等網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)性之間取得平衡。

3.3 能效和譜效的折中

    能量收集過程的動態(tài)性和隨機(jī)性,,導(dǎo)致了能量消耗過程和能量更新過程的動態(tài)平衡難以達(dá)到,,具體來說,節(jié)點(diǎn)內(nèi)能量消耗過快或過慢,,會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法正常工作或能量利用率低,。節(jié)點(diǎn)可用頻譜由主用戶動態(tài)的行為來決定,如果主用戶的狀態(tài)變化頻繁,,會導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)需要不斷檢測信道以及在不同信道上來回切換,。例如,當(dāng)主用戶是蜂窩用戶時,,其對信道占用的時間范圍從幾秒鐘到幾分鐘,,為了避免對主用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_,傳感器節(jié)點(diǎn)需要不斷地中斷傳輸,,檢測信道,,接入新的信道,這對于網(wǎng)絡(luò)頻譜管理是一個非常大的挑戰(zhàn),。此外,,信道檢測可能存在錯誤,檢測結(jié)果準(zhǔn)確性與檢測時間和耗能呈正相關(guān),,即信道檢測所用的時間越長或消耗的能量越多,,所得到的檢測結(jié)果就越準(zhǔn)確,從而傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸就更有效率,。然而,,在基于時隙的網(wǎng)絡(luò)中,信道檢測所用的時間越多,,留給數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間就越少,,可能會導(dǎo)致作為次級用戶的傳感器節(jié)點(diǎn)的性能下降。傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率同時影響節(jié)點(diǎn)的性能和能量的消耗,,因此,,通過資源分配實現(xiàn)能效和譜效的折中是EHCRSNs的重要研究方向。實現(xiàn)譜效和能效的折中的關(guān)鍵是基于能量收集過程和信道條件來自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送功率和選擇節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài):保守的功率分配策略和接入策略將會限制節(jié)點(diǎn)的性能并且不能充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源;冒進(jìn)的分配策略則會使網(wǎng)絡(luò)無法持續(xù)正常工作,。

3.4 提高能量收集效率

    RF能量收集作為可控的一種能量收集方式,,其效率問題不僅影響網(wǎng)絡(luò)的性能,還會嚴(yán)重限制其相關(guān)應(yīng)用,,研究提高RF能量收集效率的途徑對于EHCRSNs具有重要意義,。RF能量收集效率依賴于接收信號的強(qiáng)度,在給定節(jié)點(diǎn)之間的距離和信道狀態(tài)下,,增大接收信號強(qiáng)度是提高能量收集效率的關(guān)鍵,。目前傳感器一般采用全向天線,隨著距離的增加,,接收信號遭受嚴(yán)重的路徑損耗,。多天線技術(shù)是獲得分集增益的有效方法,類似的方法可以用于改善RF能量收集效率,。文獻(xiàn)[37]在室內(nèi)環(huán)境中證明,,采用8×8的天線,可將接收信號強(qiáng)度增加一個數(shù)量級,。然而,,傳感器體積較小,無法直接采用多天線技術(shù),,利用分布式傳感器構(gòu)成多用戶-多天線系統(tǒng)有可能會提高RF能量收集效率,。這種多用戶-多天線系統(tǒng)在實際應(yīng)用中會存在一些困難,例如,,準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息反饋,,頻譜和時間的精確同步,。

    在可預(yù)見的未來,,會有大量的傳感器被布設(shè),EHCRSNs將組成一個大規(guī)模的綠色通信系統(tǒng),。然而,,能量來源的不穩(wěn)定性和隨機(jī)變化特征使得傳感器節(jié)點(diǎn)不可避免地面臨無法預(yù)測的中斷,這對于網(wǎng)絡(luò)持續(xù)有效運(yùn)行是一個巨大的挑戰(zhàn),。通過布設(shè)專用RF能量發(fā)送節(jié)點(diǎn)是解決該問題的一個較為可行的方法,。這個方法面臨以下問題:能量發(fā)送節(jié)點(diǎn)該如何布設(shè),才能讓每個傳感器節(jié)點(diǎn)收集到能保證自己不中斷的能量,,尤其是對于沒有能量存儲設(shè)備的節(jié)點(diǎn),;采用可移動的能量節(jié)點(diǎn)時,如何優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡,,使得每個節(jié)點(diǎn)都能夠收集到足夠能量而不中斷,,同時還有可接入的頻段,保證數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)論

    能量供給不足和頻譜資源匱乏催生了能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生,,它有著傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢,,具有極大的發(fā)展?jié)摿Γo傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇,,為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),。本文總結(jié)了能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征,歸納了已有的研究成果,,這些研究表明EHCRSNs性能具有巨大的提升潛力,,然而對于該網(wǎng)絡(luò)的研究和分析還處于初級階段,還存在很多問題沒有解決,,本文從能量收集認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)資源管理方面分析了該網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn),,并給出一些可能的研究方向。

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文獻(xiàn)[10]-[37]略




作者信息:

焦萬果,,李昱融,,周  雯

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京210037)

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