基于认知无线电的传感网络的理论与技术.doc

基于认知无线电的传感网络的理论与技术 引言 2 1 无线传感网络 3 1.1 无线传感网络概述 3 1.2 无线传感网络结构与特征 7 1.2.1 无线传感器网络体系 7 1.2.1.1 无线传感器网络结构 7 1.2.1.2 无线传感器网络节点结构 7 1.2.1.3 无线传感器网络协议栈 8 1.2.2 无线传感器网络特征 10 1.3 无线传感网络协议 12 1.3.1 物理层 12 1.3.2 链路层 12 1.3.2.1 MAC协议设计应考虑因素及设计目标 12 1.3.2.2 MAC协议耗能分析 13 1.3.2.3 常见无线传感器网络MAC协议分析 13 1.3.3 网络层 16 1.3.3.1 无线传感网络路由协议设计要点 16 1.3.3.2 无线传感网络路由协议分类 17 1.3.3.3 常见无线传感网络中路由协议分析 19 1.3.4 传输层与应用层 28 1.4 无线传感网络中应用支撑技术 29 1.4.1 时间同步 29 1.4.1.1 时间同步概述 29 1.4.1.2 时间同步算法设计分析 29 1.4.1.3 无线传感器网络时间同步的分类 30 1.4.1.4 几种经典的无线传感器网络时间同步算法分析 31 1.4.2 定位技术 36 1.4.2.1 定位技术概述 36 1.4.2.2 定位技术分析及其特点 37 1.4.2.3 定位技术分类 38 1.5 无线传感网络中跨层设计 39 1.5.1 跨层设计的提出 39 1.5.2 跨层设计优化 39 2认知无线电技术 41 2.1 认知无线电概述 41 2.1.1 CR发展概述 41 2.1.2 CR特性 42 2.1.3 CR的物理结构及分析 43 2.2 CR关键技术 45 2.2.1 频谱感知 45 2.2.2 频谱管理 53 2.2.3 功率控制 56 3 认知无线电在传感网络中应用 56 3.1 传统无线传感网络存在的不足 57 3.2 CR用于WSN的设计分析 57 3.3 CR-WSN 58 3.3.1 CR-WSN模型 58 3.3.2 CR-WSN节点物理结构 58 3.3.3 CR-WSN体系结构 59 4 小结 61 参考文献 62 引言 随着信息处理技术、半导体技术、嵌入式技术和无线通信等技术的飞速发展，使传感器在极小的体积内能够集信息采集、数据处理和无线通信等功能于一体，出现一种全新的信息获取和处理方法——无线传感网络。它是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地检测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理，通过无线的方式发送出去，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现世界、计算机世界以及社会三元世界的连通。无线传感网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值。 但由于无线传感网络中频谱的利用率不高，传感节点数目多、易失效，通信容易受到信道干扰，网络节点的能量受限等网络特点，本文提出一种基于认知无线电的传感网络，它通过对外界环境的感知，实现功率控制和频谱资源的动态分配，充分利用空闲的信道和有限的节点能量；而且还可以根据信道的干扰变化情况，实时地改变信道，提高传感网络节点间通信的抗干扰程度，使信息在网络中传输更加安全可靠。 本文先介绍传统无线传感网络发展、网络结构特点以及网络协议；然后重点阐述应用于无线传感网络中认知无线电的关键技术——频谱感知、功率控制以及频谱管理，分析认知无线电技术在无线传感网络中的优势和面临的挑战；最后，对本文进行总结。1 无线传感网络 1.1 无线传感网络概述 无线技术的发展巨大地改变了人们的生活和联系方式：无线蜂窝网络为人们提供了移动环境下的多媒体服务；无线宽带接入网络提供了任何地点，任何时间的人机高速链接；无线传感器网络可以提供跟踪特定目标，房屋、桥梁等建筑物的监测，控制机器人等。 微电子、计算和无线通信等技术的进步，推动了低功耗、多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，从而孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。 一般无线传感器节点有三个基本的组成部分：感应模块、处理模块和无线网络模块。感应模块从周围环境收集信息；处理模块完成本地信息的量化、压缩；无线网络模块将信息发送到中心处理节点。中心处理节点将周围节点采集的信息融合。一个传感器网络有成千上