高利軍

(山西省科學(xué)技術(shù)情報研究所，山西 太原 030001)

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綜述與評論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能專利技術(shù)綜述

高利軍

(山西省科學(xué)技術(shù)情報研究所，山西 太原 030001)

摘要:介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專利申請態(tài)勢，并基于專利申請以網(wǎng)絡(luò)分層模型的形式梳理了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能專利技術(shù)的各技術(shù)分支和典型專利技術(shù)，重點描述了針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能專利技術(shù)，并繪制了節(jié)能專利技術(shù)分支圖，可以為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員利用專利技術(shù)綜述全面了解背景技術(shù)，理解技術(shù)實質(zhì)并洞悉專利技術(shù)發(fā)展趨勢提供幫助。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 節(jié)能； 網(wǎng)絡(luò)分層模型； 綜述

0引言

隨著無線通信和分布式處理等技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)及無線通信技術(shù)于一體，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、城市管理、醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)、反恐和救災(zāi)等領(lǐng)域都具有潛在的使用價值，成為當(dāng)前的研究熱點之一[2]。

以美國為代表的發(fā)達(dá)國家對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常重視，美國各類雜志相繼將其列入重要的未來新興技術(shù)[3]。該技術(shù)在美國的專利申請數(shù)呈逐年遞增態(tài)勢，從2002～2007年始終保持高速增長，2008年至今增速有所放緩，但每年仍舊保持平穩(wěn)增長，表明該領(lǐng)域技術(shù)活躍度非常高。從地域上看，向美國申請專利的來源國排名前三是美國、日本和韓國。從申請人來看，領(lǐng)先的5個公司分別是：三星電子株式會社、摩托羅拉公司、皇家飛利浦電子股份有限公司、霍尼韋爾國際公司和日本電氣株式會社(NEC)。

我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動,但真正大規(guī)模研發(fā)開始于2004～2006年，期間專利申請開始穩(wěn)步增長。2006年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為重大專項、優(yōu)先發(fā)展主題、前沿領(lǐng)域被列入《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006～2020)》，并成為重大專項“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”的重要方向之一。從2007年起專利申請呈現(xiàn)爆發(fā)性增長態(tài)勢，發(fā)明專利授權(quán)量也顯著增加。從地域來看，向中國申請專利的來源國主要是中國、美國、日本和韓國;從申請人來看，排名靠前的主要是國外大型企業(yè)和國內(nèi)的科研院所，顯示出目前我國對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集中于理論研究，缺少相應(yīng)的實踐應(yīng)用研究。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能專利技術(shù)分支

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點體積微小，攜帶的電池能量十分有限，而其部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人無法到達(dá)，重新充電或更換電池在大多數(shù)部署環(huán)境中幾乎是不可能的。因此，如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。通過在德溫特專利數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，可以發(fā)現(xiàn)在該領(lǐng)域中有關(guān)節(jié)能技術(shù)的專利申請占全部專利申請的1/3以上，可見節(jié)能相關(guān)技術(shù)是該領(lǐng)域中一個非常重要的研究方向。

傳感器節(jié)點一般包括數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊(電池、AC/DC轉(zhuǎn)換器)等[4]。數(shù)據(jù)采集模塊的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊的能耗，現(xiàn)有的節(jié)能專利技術(shù)主要針對數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?；趯＠暾埡捅绢I(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的分析對節(jié)能專利技術(shù)進(jìn)行技術(shù)分解，繪制出如圖1所示的節(jié)能專利技術(shù)分支圖，將針對數(shù)據(jù)處理的節(jié)能技術(shù)分成兩個方面，分別是硬件和軟件，而與開放式系統(tǒng)互聯(lián)OSI分層模型類似，將針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)分成物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層四個方面。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎囊笥跀?shù)據(jù)處理的能耗，因此,針對數(shù)據(jù)處理的節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果不如針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)有效。下面主要介紹針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)。

1.1針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)

1.1.1物理層

物理層直接影響到發(fā)射接收電路的復(fù)雜度和能耗，研究的目標(biāo)是以相對較低的功耗克服無線傳輸?shù)膿p傷，設(shè)計出能獲得較大鏈路容量的網(wǎng)絡(luò)。物理層的研究主要包括接收檢測、功率控制、頻段選擇和抗干擾等。

接收檢測的典型技術(shù)是分集技術(shù)，通過混頻器將接收信號分成多個信道，分別對多個信道進(jìn)行低通濾波、自動增益控制、A/D轉(zhuǎn)換和并行處理，提高信號檢測靈敏度，從而降低節(jié)點的功耗(GB 2458908A，2009—10—7，CASTLE)。

功率控制是指節(jié)點在無線通信中選擇最恰當(dāng)?shù)墓β拾l(fā)送數(shù)據(jù)以有效降低自身能耗，包括直接設(shè)置和接收端反饋。直接設(shè)置包括廣播多個不同的發(fā)射功率級別消息，每個消息以相應(yīng)的發(fā)射功率級別發(fā)射；接收消息的節(jié)點按照接收的消息中最小的發(fā)射功率級別來設(shè)置其發(fā)射功率級別(US 2010142425A1，2010—6—10，財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院)。接收端反饋是在沒有獲得接收端反饋時，發(fā)射節(jié)點以最大功率發(fā)送數(shù)據(jù)，接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)時計算無線信號強(qiáng)度指示值，將其包括在反饋信號中反饋給發(fā)射節(jié)點，發(fā)射節(jié)點根據(jù)接收的指示值調(diào)整發(fā)射功率級別，并按調(diào)整后的發(fā)射功率級別發(fā)射數(shù)據(jù)(US 2009168677A1，2009—7—2，韓國D&S技術(shù)株式會社)。

圖1　節(jié)能專利技術(shù)分支圖Fig 1　Branch diagram of patent technologies for energy saving

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時合理地選擇頻段，可以有效地改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率并減少重傳，從而節(jié)約節(jié)點的功耗，包括對節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)的各個頻段的功率譜密度進(jìn)行周期性的測量，基于測量的結(jié)果選擇適于可靠傳輸?shù)念l段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(WO2010092152A1，2010—8—19，空中客車營運有限公司)。

在抗干擾方面，嚴(yán)重衰落信道下的發(fā)射機(jī)可以對數(shù)據(jù)應(yīng)用非二進(jìn)制和/或二進(jìn)制的碼片交織技術(shù)，這樣即使降低發(fā)射功率也能達(dá)到可以接受的誤比特率，因此，減少了需要的信號噪聲比，保護(hù)了碼片序列的正交性，改進(jìn)了節(jié)點的能效(WO2012121614 A1，2012—9—13，奧克蘭聯(lián)合服務(wù)有限公司)。

1.1.2MAC層

MAC層為相互競爭的節(jié)點分配無線資源，是關(guān)系網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)[5]。通過設(shè)計有效的MAC協(xié)議，控制各個節(jié)點公平、有效地訪問無線信道，可以降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。MAC層的研究集中在干擾規(guī)避、用戶調(diào)度和休眠喚醒機(jī)制，其中從時間上看干擾規(guī)避出現(xiàn)較早，而從地域上看韓國申請人具有一定的優(yōu)勢。

干擾規(guī)避是共享信道前提下保證用戶信噪比的有效方法。使用干擾規(guī)避后，節(jié)點只要對正在進(jìn)行的傳輸不構(gòu)成沖突，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。干擾規(guī)避可以通過跳頻技術(shù)來實現(xiàn)(US2005275530A1，2005—12—15，L·卡特斯)。干擾規(guī)避也可以通過發(fā)送信標(biāo)來實現(xiàn)，節(jié)點通過發(fā)送信標(biāo)來確定該時間在信標(biāo)周期中是否安全，以有效避免信標(biāo)碰撞，減少不必要的信標(biāo)發(fā)送帶來的功耗(US2006104251A1，2006—5—18，三星電子株式會社)。

用戶調(diào)度是根據(jù)一定的規(guī)則為各個用戶節(jié)點分配各自的工作時隙，使不同的用戶節(jié)點占據(jù)不同的時隙，包括集中調(diào)度和預(yù)留調(diào)度，這兩種方法都是以時分多址(TDMA)為主要手段。集中調(diào)度首先出現(xiàn)，包括基于信道質(zhì)量為多個節(jié)點分配時隙，確定每個節(jié)點的電量和所有節(jié)點的平均電量之間的差，如果差高于閾值，則為相對于其他節(jié)點具有更高電量的節(jié)點分配更多的時隙(US2008212557A1，2008—9—4，摩托羅拉公司)。預(yù)留調(diào)度是先通過信令消息預(yù)留時隙然后在預(yù)留的時隙發(fā)射消息，如在第一周期從一個節(jié)點接收預(yù)留信息，基于第一周期中的預(yù)留信息在該節(jié)點上廣播信道分配信息，使得該節(jié)點在第二周期執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸(US2010142497A1，2010—6—10，韓國電子通信研究院)。

節(jié)點在發(fā)射數(shù)據(jù)及空閑偵聽時會消耗大量電力，因此,合理地設(shè)計休眠喚醒機(jī)制可以減少數(shù)據(jù)發(fā)射時間并增加休眠時間，從而顯著降低節(jié)點的功耗。休眠喚醒機(jī)制包括喚醒機(jī)制和預(yù)定機(jī)制。對于喚醒機(jī)制，可以在節(jié)點中使用喚醒設(shè)備，通過喚醒設(shè)備接收和檢測喚醒信號，從喚醒信號中檢測喚醒地址，并且對該喚醒地址與從管理該節(jié)點的服務(wù)器提供的喚醒地址進(jìn)行比較和驗證，若驗證通過，則該喚醒設(shè)備輸出喚醒信號(KR20090065152A，2009—6—22，韓國電子通信研究院)。對于預(yù)定機(jī)制，可以對節(jié)點設(shè)置預(yù)定休眠頻率和休眠時間，經(jīng)過該休眠時間后，喚醒預(yù)定節(jié)點，對通信信道進(jìn)行探測：當(dāng)發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，則發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)通信信道中存在預(yù)定導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)時，則先接收數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)未發(fā)現(xiàn)存在預(yù)定導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)，且未發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，則繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)(CN102833828A，2012—12—19，美新微納傳感系統(tǒng)有限公司)。

1.1.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)路由。數(shù)據(jù)路由用于將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。合理地設(shè)計路由協(xié)議能高效地利用能量，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。路由協(xié)議可以分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議兩種[6]，其中平面路由協(xié)議的出現(xiàn)早于分層路由協(xié)議，在平面路由協(xié)議方面，日本申請人占據(jù)一定的優(yōu)勢，而在分層路由協(xié)議方面，則是歐美申請人較為主動。

平面路由協(xié)議是指在路由過程中，所有節(jié)點的地位是相同的，按照相同的策略進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通常根據(jù)一些度量指標(biāo)來選擇路由，如使用最小跳數(shù)，各個節(jié)點以固定時間間隔交換路徑信息，從可訪問的節(jié)點獲得跳數(shù)信息，選擇可以使其跳數(shù)最小的可訪問節(jié)點作為下一跳連接目的地，從而節(jié)約消息轉(zhuǎn)發(fā)中的能耗(JP2001237764A，2001—8—31，日本電信電話株式會社)。

然而，在上述最小跳數(shù)路由方法中由于節(jié)點間周期性的交換路徑信息，節(jié)點能耗仍然比較大。因此，日本電氣株式會社提出了一種改進(jìn)技術(shù)，包括基站向多個節(jié)點傳送檢測信號；接收到檢測信號的每個節(jié)點傳送檢測響應(yīng)信號，并作為針對另一節(jié)點的檢測信號，每個檢測響應(yīng)信號均包括節(jié)點標(biāo)識符；接收到來自節(jié)點的檢測響應(yīng)信號之后，基站根據(jù)其中的標(biāo)識符，將該節(jié)點識別為屬于該基站的節(jié)點；在下游節(jié)點從上游節(jié)點接收到檢測響應(yīng)信號的情況下，下游節(jié)點向上游節(jié)點傳送檢測響應(yīng)信號；當(dāng)從下游節(jié)點接收到檢測響應(yīng)信號時，上游節(jié)點向基站傳送表示該下游節(jié)點的標(biāo)識符，由此減少了節(jié)點之間的頻繁信息交換，降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗(JP2005094530A，2005—4—7，日本電氣株式會社)。

不同于平面路由協(xié)議，分層路由協(xié)議中各節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中分別扮演不同的角色?；裟犴f爾國際公司首先提出了基于能量感知的分層路由方法，包括將節(jié)點按一定規(guī)則分成多組，其中每組都有一個節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)用于將該組每個節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到控制節(jié)點，然后在每個網(wǎng)關(guān)建立全組的路由表，且在每個節(jié)點建立相對較小的路由表，接下來監(jiān)測每個節(jié)點的可用能量，最后根據(jù)每個節(jié)點的可用能量的變化來相應(yīng)地重新建立前述的路由表(US2003063585A1，2003—4—3，霍尼韋爾國際公司)。分層路由也叫分簇路由，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、能量利用高效、數(shù)據(jù)融合簡單等優(yōu)點[7]。

雖然上述的分層路由協(xié)議一定程度地降低了每組節(jié)點的能耗，但由于每組節(jié)點都有一個節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)來協(xié)調(diào)該組全部的工作，如果網(wǎng)關(guān)被損壞會對該組乃至整個網(wǎng)絡(luò)的能效造成很大的影響。因此，皇家飛利浦電子股份有限公司提出了為節(jié)點尋找備份節(jié)點的方法。首先，確定該節(jié)點處于待備份狀態(tài)，即該節(jié)點電量低于預(yù)定值，然后，在該待備份節(jié)點的多個鄰近節(jié)點中確定一個代理節(jié)點，由該代理節(jié)點代表該待備份節(jié)點來尋找備份節(jié)點。由此待備份節(jié)點不需要自己去和大量節(jié)點進(jìn)行通訊來尋找備份節(jié)點，可以使網(wǎng)絡(luò)在最大限度地延長節(jié)點壽命和不影響該網(wǎng)絡(luò)能效之間取得更好的平衡(WO2006061735A2，2006—6—15，皇家飛利浦電子股份有限公司)。

分層路由的關(guān)鍵在于分組或分簇的確定，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化動態(tài)改變分組或分簇，可以有效改善整個網(wǎng)絡(luò)的能效。摩托羅拉公司對分層路由協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，可以根據(jù)節(jié)點電量對節(jié)點重新進(jìn)行分組，包括確定每個節(jié)點的電量和所有節(jié)點的平均電量之間的差，如果差高于閾值，則對該多個節(jié)點重新進(jìn)行分組，以使所有節(jié)點組上的平均電量的變化最小化(US2008211666A1，2008—9—4，摩托羅拉公司)。

2結(jié)論

從20世紀(jì)末開始，伴隨短距離通信和微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的應(yīng)用逐漸形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正處于高速發(fā)展階段，作為重要技術(shù)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展

也很迅速。本文基于對專利申請和本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的分析對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能專利技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)分解，繪制出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能專利技術(shù)分支圖，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分層模型梳理了各個主要技術(shù)分支及相關(guān)技術(shù)分支下的代表專利技術(shù)，并重點介紹了針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)，可以為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員全面了解背景技術(shù)，理解技術(shù)實質(zhì)并洞悉專利技術(shù)發(fā)展趨勢提供幫助。

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Survey on patent technologies of wireless sensor networksfor energy saving

GAO Li-jun

(Institute of Scientific & Technical Information of Shanxi Province,Taiyuan 030001,China)

Abstract:Patent application state of wireless sensor networks(WSNs)is introduced,various technology branches and typical patent technologies of WSNs for energy saving are tidied up based on patent applications in form of network hierarchical model,patent technologies for saving energy aiming at data transmission are described especially,and a branch diagram of patent technologies for energy saving is drawn,thereby provide helps to person skilled in the art for learning background technology entirely,understanding technical essential,and discerning patent technology developing trend by using the technology survey.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); energy saving; network hierarchical model; survey

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0001—03

收稿日期：2015—09—14

中圖分類號：TN 919

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0001—03

作者簡介:

高利軍(1982 -)，男，山西忻州人，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。