0 引言

    自20世紀(jì)90年代起，綜合了微電子、無(wú)線通信、現(xiàn)代傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算等多個(gè)學(xué)科的無(wú)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(lái)，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(lái)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(guò)多跳中繼方式，將收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚到sink節(jié)點(diǎn)，然后sink節(jié)點(diǎn)將整個(gè)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(duì)特定區(qū)域信息的收集、監(jiān)測(cè)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(wú)線通信的發(fā)展，這個(gè)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(lái)自其他應(yīng)用類(lèi)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(bào)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?；?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/認(rèn)知無(wú)線電" title="認(rèn)知無(wú)線電" target="_blank">認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在緩解頻譜匱乏方面的潛能，利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)解決頻譜匱乏給傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的干擾是一種可行的方法。通過(guò)給傳感器節(jié)點(diǎn)配置認(rèn)知無(wú)線電模塊，使其可以檢測(cè)授權(quán)頻譜的狀態(tài)，機(jī)會(huì)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(wú)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(lái)自公共頻段的信號(hào)干擾。

    雖然CRSNs不再遭受頻譜匱乏帶來(lái)的傳輸干擾，但CRSNs中的節(jié)點(diǎn)需要消耗額外的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電的功能，例如頻譜檢測(cè)、頻譜切換等，這對(duì)于一般采用不易更換電池來(lái)供電的傳感器節(jié)點(diǎn)，能量不足問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。因此，相對(duì)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(wèn)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(guò)去的幾年中，能量收集技術(shù)開(kāi)始被傳感器節(jié)點(diǎn)采用。采用能量收集技術(shù)的無(wú)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?chē)h(huán)境中的可再生能量為自身供電，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、震動(dòng)能等^[5]。節(jié)點(diǎn)從周?chē)h(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(zhǎng)，甚至實(shí)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(wèn)題。鑒于WSNs的解決方法，可將認(rèn)知無(wú)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(wèn)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(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行分類(lèi)和總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，討論目前未解決的問(wèn)題及可能的解決方法，并指出EHCRSNs未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)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?chē)h(huán)境的能量作為能源，實(shí)現(xiàn)能量自給自足的綠色通信；利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，機(jī)會(huì)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(cè)的體域網(wǎng)(BSN)^[8]，智能電網(wǎng)^[9]，智慧城市的實(shí)時(shí)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(dòng)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(gè)方面對(duì)EHCRSNs的網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。

    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(lái)潛能和新的機(jī)遇。與此同時(shí)，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(wú)線電模塊、能量收集模塊和充電裝置，對(duì)于尺寸受限的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)非常困難；外界環(huán)境的不確定性和時(shí)變性導(dǎo)致能量收集過(guò)程難以預(yù)測(cè)，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(yáng)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(lái)自TV、廣播、WiFi、移動(dòng)終端等的無(wú)線信號(hào)。更進(jìn)一步，傳感節(jié)點(diǎn)可采用無(wú)線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技術(shù)^[12]，通過(guò)發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)能量和信息從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的無(wú)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(shí)，能量收集技術(shù)和認(rèn)知無(wú)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(cè)信道忙時(shí)，不再是單純地等待，而是利用接收的主用戶信號(hào)進(jìn)行充電；當(dāng)主用戶不再使用信道時(shí)，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(hào)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(jiàn)，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(gè)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(wèn)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。

    在表2中，僅列出了不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)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(jì)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(jì)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(duì)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(gè)方面：傳感器的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)資源的管理。在傳感器設(shè)計(jì)方面，已經(jīng)有基于太陽(yáng)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(jì)和生產(chǎn)出來(lái)了，采用認(rèn)知無(wú)線技術(shù)的傳感器設(shè)計(jì)有很多豐富的成果。但是目前具備能量收集和頻譜檢測(cè)能力的傳感器設(shè)計(jì)還是空白，僅有理論模型的提出^[17]，還沒(méi)有具體設(shè)備。

    資源管理問(wèn)題一直都是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)多年的研究，針對(duì)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(lái)對(duì)能量收集技術(shù)和認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)注，研究者們對(duì)EHSNs和CRSNs開(kāi)展了大量的研究和探索。例如，針對(duì)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(dòng)數(shù)據(jù)收集的算法架構(gòu)^[22]等。同樣，在CRSNs協(xié)議設(shè)計(jì)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(duì)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(wú)線電技術(shù)，EHCRSNs中能量資源和頻譜資源均是動(dòng)態(tài)的，且難以預(yù)測(cè)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)消耗能量來(lái)進(jìn)行頻譜檢測(cè)，從而獲得傳輸機(jī)會(huì)，在足夠剩余能量的保證下，傳感器節(jié)點(diǎn)才能利用這個(gè)機(jī)會(huì)傳輸收集的數(shù)據(jù)；否則，即便是有傳輸機(jī)會(huì)，傳感器節(jié)點(diǎn)也將因?yàn)闆](méi)有足夠的能量而無(wú)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(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯?，及?dòng)態(tài)的能量收集過(guò)程和隨機(jī)的可用頻譜資源。因此，針對(duì)EHSNs和CRSNs設(shè)計(jì)的算法無(wú)法適用于EHCRSNs。根據(jù)EHCRSNs的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，研究者們?cè)贓HCRSNs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(jiǎn)化傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，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(cè)?；谀芰渴占念l譜檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)作等方式檢測(cè)信道狀態(tài)，最大化被檢測(cè)信道的可用時(shí)間；數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)利用檢測(cè)到的可用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然而，在這兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程中，能量收集和消耗的不平衡會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)因能量不足而中斷，這不僅會(huì)降低頻譜檢測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，也會(huì)降低數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸效率，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。更進(jìn)一步，頻譜檢測(cè)過(guò)程也會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的能量效率：信道檢測(cè)所用的時(shí)間越長(zhǎng)，信道接入時(shí)間就越短，而信道檢測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，檢測(cè)結(jié)果的精度會(huì)越高，數(shù)據(jù)傳輸遇到碰撞的概率就會(huì)相應(yīng)地降低。針對(duì)這種異構(gòu)EHCRSNs的資源管理問(wèn)題，文獻(xiàn)[24]提出了一種聯(lián)合時(shí)間分配和功率控制的資源分配算法，通過(guò)最大化信道可用時(shí)間和最小化數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)頻譜檢測(cè)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(cè)和數(shù)據(jù)收集同時(shí)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，信道檢測(cè)時(shí)間與信道傳輸時(shí)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(huì)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(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)的能量被消耗殆盡，無(wú)法支持未來(lái)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(cè)時(shí)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(duì)能量收集結(jié)果的預(yù)測(cè)，調(diào)節(jié)信道檢測(cè)時(shí)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(guò)布設(shè)收集能量節(jié)點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)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(guò)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(lái)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(méi)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(cè)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(gè)重要因素。選擇位置不同的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行協(xié)作頻譜檢測(cè)將會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)性能，ZOU Y等^[27]通過(guò)設(shè)計(jì)一種休眠調(diào)度機(jī)制，在不同的時(shí)隙，選擇最優(yōu)的傳感器節(jié)點(diǎn)集合來(lái)進(jìn)行協(xié)作頻譜檢測(cè)，從而平衡能量的消耗，延長(zhǎng)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(guò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)某個(gè)特定性能優(yōu)化外，還有一類(lèi)研究是對(duì)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(duì)列和能量隊(duì)列穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量消耗和能量收集過(guò)程的動(dòng)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(guò)設(shè)計(jì)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(shí)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(méi)有考慮動(dòng)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(guò)設(shè)計(jì)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(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)不僅可以以鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)作為能量來(lái)源，還可以以主用戶的無(wú)線電信號(hào)作為能量的來(lái)源。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)以主用戶的發(fā)送信號(hào)作為能量來(lái)源時(shí)，由于無(wú)法同時(shí)進(jìn)行能量收集和信道接入，節(jié)點(diǎn)面臨這樣的問(wèn)題：在某個(gè)時(shí)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(shí)，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(shí)，能收集盡可能多的能量。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法知道每個(gè)時(shí)隙信道的確切情況，僅能夠利用一些歷史信息和經(jīng)驗(yàn)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(guò)程來(lái)描述節(jié)點(diǎn)工作模式選擇問(wèn)題，得到了節(jié)點(diǎn)工作模式最優(yōu)選擇策略，實(shí)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(gè)階段：第一階段接收主用戶信號(hào)，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(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法以及確定最佳充電時(shí)間長(zhǎng)度，實(shí)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(shí)，文獻(xiàn)[34]通過(guò)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(shí)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(lái)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(duì)于該網(wǎng)絡(luò)的研究還處于初級(jí)階段，還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、能量資源的動(dòng)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(jì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議架構(gòu)。首先，物理層協(xié)議設(shè)計(jì)，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(lái)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(cè)對(duì)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(jì)方面，在EHCRSNs中，信道的動(dòng)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(shí)，節(jié)點(diǎn)所能收集的能量取決于所接入信道的信號(hào)強(qiáng)度。此外，所設(shè)計(jì)的多址接入?yún)f(xié)議，除了要實(shí)現(xiàn)信道接入機(jī)制與動(dòng)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(shí)間，及確定接收信號(hào)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(jì)方面，由于EHCRSNs具有能量的動(dòng)態(tài)變化、能量分布的非均衡和頻譜檢測(cè)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(wú)法有效地利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)帶來(lái)的頻譜增益和能量收集技術(shù)收集到的能量，還可能會(huì)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(jì)新的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。

    此外，在分布式多跳網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)態(tài)的信道接入不僅需要考慮主次用戶間的干擾，同時(shí)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(dòng)態(tài)路由協(xié)議時(shí)，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(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)接入與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)適應(yīng)。

3.2 能量緩存和網(wǎng)絡(luò)性能的動(dòng)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(wèn)題。已有一些方法用于解決能量空洞問(wèn)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(kāi)銷(xiāo)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(shí)，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(shí)收集的能量，來(lái)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(gè)新的挑戰(zhàn)。首先，信息的發(fā)送和能量的傳輸都會(huì)遇到信道衰落和路徑損耗，因而它們對(duì)信道質(zhì)量和傳輸距離都非常敏感，這就要求設(shè)計(jì)基于SWIPT的機(jī)制時(shí)，需考慮動(dòng)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(zhǎng)的關(guān)系。因此，在設(shè)計(jì)資源分配策略時(shí)，需要在吞吐量、端到端延時(shí)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(guò)程的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，導(dǎo)致了能量消耗過(guò)程和能量更新過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡難以達(dá)到，具體來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)能量消耗過(guò)快或過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無(wú)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(dòng)態(tài)的行為來(lái)決定，如果主用戶的狀態(tài)變化頻繁，會(huì)導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)需要不斷檢測(cè)信道以及在不同信道上來(lái)回切換。例如，當(dāng)主用戶是蜂窩用戶時(shí)，其對(duì)信道占用的時(shí)間范圍從幾秒鐘到幾分鐘，為了避免對(duì)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(cè)信道，接入新的信道，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)頻譜管理是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。此外，信道檢測(cè)可能存在錯(cuò)誤，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性與檢測(cè)時(shí)間和耗能呈正相關(guān)，即信道檢測(cè)所用的時(shí)間越長(zhǎng)或消耗的能量越多，所得到的檢測(cè)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(shí)隙的網(wǎng)絡(luò)中，信道檢測(cè)所用的時(shí)間越多，留給數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間就越少，可能會(huì)導(dǎo)致作為次級(jí)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(shí)影響節(jié)點(diǎn)的性能和能量的消耗，因此，通過(guò)資源分配實(shí)現(xiàn)能效和譜效的折中是EHCRSNs的重要研究方向。實(shí)現(xiàn)譜效和能效的折中的關(guān)鍵是基于能量收集過(guò)程和信道條件來(lái)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(huì)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(huì)使網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(wèn)題不僅影響網(wǎng)絡(luò)的性能，還會(huì)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(duì)于EHCRSNs具有重要意義。RF能量收集效率依賴于接收信號(hào)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(hào)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(hào)遭受?chē)?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(lèi)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(hào)強(qiáng)度增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，傳感器體積較小，無(wú)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(huì)提高RF能量收集效率。這種多用戶-多天線系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)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(shí)間的精確同步。

    在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，會(huì)有大量的傳感器被布設(shè)，EHCRSNs將組成一個(gè)大規(guī)模的綠色通信系統(tǒng)。然而，能量來(lái)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(wú)法預(yù)測(cè)的中斷，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)持續(xù)有效運(yùn)行是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。通過(guò)布設(shè)專用RF能量發(fā)送節(jié)點(diǎn)是解決該問(wèn)題的一個(gè)較為可行的方法。這個(gè)方法面臨以下問(wèn)題：能量發(fā)送節(jié)點(diǎn)該如何布設(shè)，才能讓每個(gè)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(duì)于沒(méi)有能量存儲(chǔ)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)；采用可移動(dòng)的能量節(jié)點(diǎn)時(shí)，如何優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠收集到足夠能量而不中斷，同時(shí)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，給傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來(lái)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(duì)于該網(wǎng)絡(luò)的研究和分析還處于初級(jí)階段，還存在很多問(wèn)題沒(méi)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。

參考文獻(xiàn)

[1] 任豐原，黃海寧，林闖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào)，2003，14（7）：1282-1291.

[2] AL-FUQAHA A，GUIZANI M，MOHAMMADI M，et al.Internet of things: a survey on enabling technologies，protocols，and applications[J].IEEE Communication Surveys & Tutorials，2015，17(4)：2347-2376.

[3] AKAN O B，KARLI O，ERGUL O.Cognitive radio sensor networks[J].IEEE Network，2009，23(4)：34-40.

[4] HE S，CHENG J，JIANG F，et al.Energy provisioning in wireless rechargeable sensor networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2013，12(10)：1931-1942.

[5] SUDEVALAYAM S，KULKARNI P.Energy harvesting sensor nodes: survey and implications[J].IEEE Communication Surveys & Tutorials，2011，13(3)：443-461.

[6] ZHANG D，CHEN Z，AWAD M K，et al.Utility-optimal resource management and allocation algorithm for energy harvesting cognitive radio sensor networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2016，34(12)：3552-3565.

[7] Avoiding RF interference between WiFi and ZigBee[DB/OL].[2018-03-30].http：//www.mobiusconsulting.com/papers/ZigBeeandWiFiInterference.pdf.

[8] IBARRA E，ANTONOPOULOS A，KARTSAKLI E，et al.QoS-aware energy management in body sensor nodes powered by human energy harvesting[J].IEEE Sensors Journal，2016，16(2)：542–549.

[9] ZHANG K，MAO Y，LENG S，et al.Cooperation for optimal demand response in cognitive radio enabled smart grid[C].IEEE International Conference on Communications，2016：1-6.

文獻(xiàn)[10]-[37]略

作者信息：

焦萬(wàn)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）