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、匯聚節(jié)點（sink節(jié)點）、網(wǎng)絡(luò)接入點和任務(wù)管理節(jié)點組成。傳感器節(jié)點通過多跳中繼方式，將收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚到sink節(jié)點，然后sink節(jié)點將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)接入點發(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)點間的通信不僅受到自身節(jié)點間的干擾，還受到來自其他應(yīng)用類型網(wǎng)絡(luò)日益嚴重且不可控的干擾^[3]。根據(jù)Gartner公司的報告，到2020年，互聯(lián)設(shè)備將達到250億，多種應(yīng)用重疊覆蓋區(qū)域的傳感器節(jié)點將遭受非常嚴重的干擾。基于認知無線電技術(shù)在緩解頻譜匱乏方面的潛能，利用認知無線電技術(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)點配置認知無線電模塊，使其可以檢測授權(quán)頻譜的狀態(tài)，機會式利用空閑的授權(quán)頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸。具有認知無線電模塊的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，稱為認知傳感器網(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)點需要消耗額外的能量來實現(xiàn)認知無線電的功能，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，能量不足問題變得更加嚴峻。因此，相對于傳統(tǒng)的WSNs，節(jié)點能量不足引起的CRSNs的網(wǎng)絡(luò)生存期問題變得更加迫切。為了克服節(jié)點不足，保證網(wǎng)絡(luò)能夠持續(xù)有效地運行，在過去的幾年中，能量收集技術(shù)開始被傳感器節(jié)點采用。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；利用認知無線電技術(shù)，機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)點和承載業(yè)務(wù)5個方面對EHCRSNs的網(wǎng)絡(luò)特征進行總結(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)展帶來潛能和新的機遇。與此同時，EHCRSNs也面臨著新的挑戰(zhàn)，例如，EHCRSNs的傳感器節(jié)點需要增加認知無線電模塊、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行充電^[11]，例如來自TV、廣播、WiFi、移動終端等的無線信號。更進一步，傳感節(jié)點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)點采用SWIPT時，能量收集技術(shù)和認知無線電技術(shù)不再獨立工作，而是相互結(jié)合。當(dāng)傳感器節(jié)點檢測信道忙時，不再是單純地等待，而是利用接收的主用戶信號進行充電；當(dāng)主用戶不再使用信道時，傳感器節(jié)點利用收集的能量進行數(shù)據(jù)傳輸。甚至，傳感器節(jié)點還可以和主用戶進行協(xié)作，作為主用戶的解碼-轉(zhuǎn)發(fā)中繼。傳感器節(jié)點首先利用接收到的主用戶發(fā)送信號進行充電；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)點或sink節(jié)點。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)資源管理難點如表2所示。

    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行；傳感器節(jié)點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研究進行歸納總結(jié)，重點介紹在資源管理方面取得的研究成果。

2 能量收集認知傳感器網(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或設(shè)備被設(shè)計和生產(chǎn)出來了，采用認知無線技術(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，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[23]中，作者對CRSNs資源管理方面的研究進行了全面的總結(jié)。由于采用能量收集技術(shù)和認知無線電技術(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)點通過消耗能量來進行頻譜檢測，從而獲得傳輸機會，在足夠剩余能量的保證下，傳感器節(jié)點才能利用這個機會傳輸收集的數(shù)據(jù)；否則，即便是有傳輸機會，傳感器節(jié)點也將因為沒有足夠的能量而無法進行數(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模皠討B(tài)的能量收集過程和隨機的可用頻譜資源。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，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)點僅依靠電池進行數(shù)據(jù)收集和發(fā)送，一些傳感器節(jié)點只進行能量收集和頻譜檢測?；谀芰渴占念l譜檢測節(jié)點通過協(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)點利用檢測到的可用信道進行數(shù)據(jù)傳輸。然而，在這兩類節(jié)點工作過程中，能量收集和消耗的不平衡會導(dǎo)致節(jié)點因能量不足而中斷，這不僅會降低頻譜檢測節(jié)點檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，也會降低數(shù)據(jù)節(jié)點的傳輸效率，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的性能。更進一步，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[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)點的能量消耗，實現(xiàn)頻譜檢測節(jié)點的持續(xù)工作，數(shù)據(jù)節(jié)點的能量效率最高。

    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)點使用較保守的功率分配策略將會限制節(jié)點的性能且不能充分地利用能量收集的增益，而采用冒進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[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)點的發(fā)送功率，最小化節(jié)點的中斷概率，保證網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運行。

    在有些情況下，通過布設(shè)收集能量節(jié)點來簡化傳感器設(shè)備的復(fù)雜度：能量收集節(jié)點將收集到的能量利用帶內(nèi)能量傳輸，發(fā)送給具有認知功能的傳感器節(jié)點。然而，能量傳輸所用的信道與主用戶之間、傳感器節(jié)點與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)點能量收集與消耗，控制能量節(jié)點與數(shù)據(jù)節(jié)點之間的干擾，來最大化傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速度。

    然而文獻[26]沒有考慮節(jié)點位置之間的關(guān)系，節(jié)點間的干擾強度、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)點間的距離。因此，節(jié)點間的距離關(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)點來進行協(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)度機制，在不同的時隙，選擇最優(yōu)的傳感器節(jié)點集合來進行協(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)點的位置關(guān)系之外，節(jié)點的密度以及節(jié)點的分布規(guī)律也是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素，其中泊松點過程（Poisson Point Process，PPP）是一種描述傳感器節(jié)點分布規(guī)律的典型模型。文獻[28]在二維的PPP假設(shè)（即主用戶和傳感器節(jié)點分布均是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)效用進行優(yōu)化^[6，29]。文獻[6]提出了一種網(wǎng)絡(luò)效用優(yōu)化框架，用于進行在線的能量管理、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[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)點不僅可以以鄰節(jié)點的發(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)點以主用戶的發(fā)送信號作為能量來源時，由于無法同時進行能量收集和信道接入，節(jié)點面臨這樣的問題：在某個時刻，到底是接入空閑信道還是進行能量收集？即傳感器節(jié)點工作模式的選擇。最優(yōu)的模式選擇應(yīng)該達到這樣效果：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[31]中，作者用部分可觀察馬爾科夫決策過程來描述節(jié)點工作模式選擇問題，得到了節(jié)點工作模式最優(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)點的工作狀態(tài)分為兩個階段：第一階段接收主用戶信號，進行能量收集；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[31]和[32]僅考慮一跳節(jié)點的情況，文獻[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)點的中斷概率。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)多跳路徑確定時，文獻[34]通過分配節(jié)點的發(fā)送功率和優(yōu)化節(jié)點能量收集時間，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)點所能收集的能量取決于所接入信道的信號強度。此外，所設(shè)計的多址接入?yún)f(xié)議，除了要實現(xiàn)信道接入機制與動態(tài)的信道狀態(tài)匹配，還需要控制鄰居節(jié)點的接入信道和數(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，進而在保證端到端性能的基礎(chǔ)上，確定節(jié)點的接入策略。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)拓撲不斷變化，節(jié)點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)點接入與網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(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)點的傳感器節(jié)點，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[35]提出的自適應(yīng)周期性休眠算法，文獻[36]提出的基于剩余能量的路由策略，但這些算法需要花費很大的開銷用于同步和維護。

    采用SWIPT技術(shù)的節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的同時，可以進行能量傳遞。利用SWIPT技術(shù)，離sink節(jié)點較近的節(jié)點，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的機制時，需考慮動態(tài)的信道狀態(tài)和傳感器節(jié)點間的距離。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)平衡難以達到，具體來說，節(jié)點內(nèi)能量消耗過快或過慢，會導(dǎo)致節(jié)點無法正常工作或能量利用率低。節(jié)點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)點的性能下降。傳感器節(jié)點的發(fā)送功率同時影響節(jié)點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)點的性能并且不能充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源；冒進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度，在給定節(jié)點之間的距離和信道狀態(tài)下，增大接收信號強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[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)定性和隨機變化特征使得傳感器節(jié)點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)點該如何布設(shè)，才能讓每個傳感器節(jié)點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；采用可移動的能量節(jié)點時，如何優(yōu)化節(jié)點的運動軌跡，使得每個節(jié)點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?，給傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來了新的機遇，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

[1] 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報，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[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）