0 引言

    自20世紀90年代起，綜合了微電子、無線通信、現代傳感技術、嵌入式計算等多個學科的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)引起了廣泛關注和研究^[1]。近年來，作為物聯網神經末梢的WSNs^[2]，隨著物聯網概念的提出和發展，其理論和應用研究越來越被重視。

    典型的WSNs由一系列傳感器節點、匯聚節點（sink節點）、網絡接入點和任務管理節點組成。傳感器節點通過多跳中繼方式，將收集的監測數據匯聚到sink節點，然后sink節點將整個區域內的數據利用網絡接入點發送給任務管理中心，完成對特定區域信息的收集、監測和分析。通常，傳感器節點間的通信是利用公共頻段完成的，然而，隨著無線通信的發展，這個頻段日益擁擠，傳感器節點間的通信不僅受到自身節點間的干擾，還受到來自其他應用類型網絡日益嚴重且不可控的干擾^[3]。根據Gartner公司的報告，到2020年，互聯設備將達到250億，多種應用重疊覆蓋區域的傳感器節點將遭受非常嚴重的干擾。基于認知無線電技術在緩解頻譜匱乏方面的潛能，利用認知無線電技術解決頻譜匱乏給傳感器網絡帶來的干擾是一種可行的方法。通過給傳感器節點配置認知無線電模塊，使其可以檢測授權頻譜的狀態，機會式利用空閑的授權頻譜進行數據傳輸。具有認知無線電模塊的傳感器節點組成的網絡，稱為認知傳感器網絡（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中的節點需要消耗額外的能量來實現認知無線電的功能，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點，能量不足問題變得更加嚴峻。因此，相對于傳統的WSNs，節點能量不足引起的CRSNs的網絡生存期問題變得更加迫切。為了克服節點不足，保證網絡能夠持續有效地運行，在過去的幾年中，能量收集技術開始被傳感器節點采用。采用能量收集技術的無線傳感器網絡，被稱為能量收集傳感器網絡(Energy Harvesting Sensor Networks，EHSNs)^[4]。在EHSNs中，利用能量收集技術，傳感器節點可以收集周圍環境中的可再生能量為自身供電，例如太陽能、風能、震動能等^[5]。節點從周圍環境中源源不斷地獲得能量，傳感器網絡生存期可以得到有效延長，甚至實現持續有效運行。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引入EHSNs，該傳感器網絡稱為能量收集認知傳感器網絡(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的供給，彌補了傳統傳感器網絡的不足，然而作為一種新型的傳感器網絡形式，EHCRSNs也面臨著各種挑戰，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，然后對現有的研究成果進行分類和總結。在此基礎上，討論目前未解決的問題及可能的解決方法，并指出EHCRSNs未來的發展趨勢以及可能的研究方向。

1 能量收集認知傳感器網絡

    EHCRSNs采用能量收集技術，以周圍環境的能量作為能源，實現能量自給自足的綠色通信；利用認知無線電技術，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絡，有很多典型的應用，例如用于室內數據收集^[7]，用于健康監測的體域網(BSN)^[8]，智能電網^[9]，智慧城市的實時監控^[10]等。

    相較于其他傳感器網絡，EHCRSNs具有一些新的特征，例如動態的頻譜資源和能量資源。從可用能量、可用頻譜、網絡結構、傳感器節點和承載業務5個方面對EHCRSNs的網絡特征進行總結，如表1所示。

    從表1可以看出，EHCRSNs具有傳統傳感器網絡的特征，也有一些新的網絡特征，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，為傳感器網絡發展帶來潛能和新的機遇。與此同時，EHCRSNs也面臨著新的挑戰，例如，EHCRSNs的傳感器節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點來說非常困難；外界環境的不確定性和時變性導致能量收集過程難以預測，如何充分利用和有效管理收集的能量變得非常具有挑戰性。隨著能量收集技術的發展，傳感器節點不僅可以收集自然環境中的太陽能、風能、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，傳感節點可采用無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技術^[12]，通過發射信號，實現能量和信息從一個設備到另一個設備的無線轉移，并且這種能量轉移是可控的。EHCRSNs的節點采用SWIPT時，能量收集技術和認知無線電技術不再獨立工作，而是相互結合。當傳感器節點檢測信道忙時，不再是單純地等待，而是利用接收的主用戶信號進行充電；當主用戶不再使用信道時，傳感器節點利用收集的能量進行數據傳輸。甚至，傳感器節點還可以和主用戶進行協作，作為主用戶的解碼-轉發中繼。傳感器節點首先利用接收到的主用戶發送信號進行充電；然后，利用收集到的部分能量幫助主用戶發送數據；利用剩余的收集能量將自身的數據發送給下一跳節點或sink節點。由此可見，隨著技術的發展，在EHCRSNs中，頻譜資源和能量資源不再是兩個單獨的資源，這與其他傳感器網絡明顯不同，因此，EHCRSNs面臨的資源管理問題也具有獨特性。4種典型的傳感器網絡所使用的頻譜資源和能量資源以及面臨的網絡資源管理難點如表2所示。

    在表2中，僅列出了不同網絡類型所遇到的不同困難，除了上述困難外，作為傳感器網絡的不同形式，它們還面臨一些共同困難。例如，分布式的組網方式要求設計的資源管理算法必須能夠分布式運行；傳感器節點處理能力有限要求設計的算法需要較低的復雜度等。

    綜上所述，EHCRSNs是一種新型的傳感器網絡形式，具有巨大的應用空間和發展潛能，也面臨著很多挑戰，尤其是在資源管理方面。下面，對現有EHCRSNs研究進行歸納總結，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絡研究現狀

    目前，關于EHCRSNs的研究集中在兩個方面：傳感器的設計和網絡資源的管理。在傳感器設計方面，已經有基于太陽能^[13]、風能^[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備被設計和生產出來了，采用認知無線技術的傳感器設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計還是空白，僅有理論模型的提出^[17]，還沒有具體設備。

    資源管理問題一直都是傳感器網絡的一個重要研究領域，經過多年的研究，針對WSNs的資源管理已經取得了豐富的研究成果^[18]。隨著近年來對能量收集技術和認知無線電的關注，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，研究者們提出相應的多址接入控制算法^[19]、路由協議^[20]、休眠調度算法^[21]，以及用于移動數據收集的算法架構^[22]等。同樣，在CRSNs協議設計方面，很多適用于CRSNs的路由協議和多址接入協議被提出，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。由于采用能量收集技術和認知無線電技術，EHCRSNs中能量資源和頻譜資源均是動態的，且難以預測。傳感器節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，傳感器節點才能利用這個機會傳輸收集的數據；否則，即便是有傳輸機會，傳感器節點也將因為沒有足夠的能量而無法進行數據傳輸或數據收集。EHCRSNs的網絡資源管理和分配，需要聯合考慮信道檢測和數據傳輸的能量消耗，及動態的能量收集過程和隨機的可用頻譜資源。因此，針對EHSNs和CRSNs設計的算法無法適用于EHCRSNs。根據EHCRSNs的網絡特點，研究者們在EHCRSNs資源管理方面的研究已經取得了一些成果。

2.1 聯合頻譜和能量管理的網絡性能優化

    為了簡化傳感器節點的設計，降低網絡布設成本，存在這樣的異構EHCRSNs：一些傳感器節點僅依靠電池進行數據收集和發送，一些傳感器節點只進行能量收集和頻譜檢測。基于能量收集的頻譜檢測節點通過協作等方式檢測信道狀態，最大化被檢測信道的可用時間；數據節點利用檢測到的可用信道進行數據傳輸。然而，在這兩類節點工作過程中，能量收集和消耗的不平衡會導致節點因能量不足而中斷，這不僅會降低頻譜檢測節點檢測結果的準確度，也會降低數據節點的傳輸效率，從而降低整個網絡的性能。更進一步，頻譜檢測過程也會影響數據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，檢測結果的精度會越高，數據傳輸遇到碰撞的概率就會相應地降低。針對這種異構EHCRSNs的資源管理問題，文獻[24]提出了一種聯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據節點的能量消耗，實現頻譜檢測節點的持續工作，數據節點的能量效率最高。

    當頻譜檢測和數據收集同時在一個節點上實現時，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。如果傳感器節點使用較保守的功率分配策略將會限制節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致電池內的能量被消耗殆盡，無法支持未來的數據傳輸。文獻[25]提出了一種自適應的信道檢測時間和發送功率調整策略，根據當前系統狀態：電池內剩余能量、信道狀態和對能量收集結果的預測，調節信道檢測時間和節點的發送功率，最小化節點的中斷概率，保證網絡的持續運行。

    在有些情況下，通過布設收集能量節點來簡化傳感器設備的復雜度：能量收集節點將收集到的能量利用帶內能量傳輸，發送給具有認知功能的傳感器節點。然而，能量傳輸所用的信道與主用戶之間、傳感器節點與sink之間的通信是相同的信道，因此，主次用戶間和傳感器網絡內部均存在干擾。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質量的前提下，通過平衡節點能量收集與消耗，控制能量節點與數據節點之間的干擾，來最大化傳感器節點的數據傳輸速度。

    然而文獻[26]沒有考慮節點位置之間的關系，節點間的干擾強度、能量收集效率以及頻譜檢測性能等均與信道條件有關，尤其是節點間的距離。因此，節點間的距離關系是影響網絡性能的一個重要因素。選擇位置不同的傳感器節點來進行協作頻譜檢測將會影響檢測結果及網絡性能，ZOU Y等^[27]通過設計一種休眠調度機制，在不同的時隙，選擇最優的傳感器節點集合來進行協作頻譜檢測，從而平衡能量的消耗，延長網絡的生存期。除了節點的位置關系之外，節點的密度以及節點的分布規律也是影響網絡性能的重要因素，其中泊松點過程（Poisson Point Process，PPP）是一種描述傳感器節點分布規律的典型模型。文獻[28]在二維的PPP假設（即主用戶和傳感器節點分布均是PPP）下，分析了影響傳感器網絡的全網發射成功傳輸概率的因素，并提出相應的優化算法，在保證網絡覆蓋要求的前提下，改善傳感器網絡的全網成功傳輸概率。

    除了對網絡某個特定性能優化外，還有一類研究是對網絡效用進行優化^[6，29]。文獻[6]提出了一種網絡效用優化框架，用于進行在線的能量管理、頻譜管理和資源分配，在保證數據隊列和能量隊列穩定性的同時，實現能量消耗和能量收集過程的動態平衡；在保證了授權用戶的服務質量前提下，優化了頻譜效率。文獻[29]通過設計合理的網絡效用函數，控制數據采集速率和進行信道接入調度，實現數據產生速率和服務速率的匹配，但是這些工作均沒有考慮動態路由協議的影響。

2.2 傳感器節點模式選擇

    RF（Radio Frequency）能量收集技術是一種重要的能量收集技術，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能量收集技術的傳感器網絡，通過設計合理的分布式接納控制算法，其吞吐量可以提高300%，節點平均能量可以增加100%。采用RF能量收集技術時，傳感器節點不僅可以以鄰節點的發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。當傳感器節點以主用戶的發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？即傳感器節點工作模式的選擇。最優的模式選擇應該達到這樣效果：信道空閑時，有足夠的能量發送盡可能多的數據；主用戶占用信道時，能收集盡可能多的能量。然而，傳感器節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驗消息判斷出信道處于空閑或者占用狀態的概率。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點工作模式選擇問題，得到了節點工作模式最優選擇策略，實現了能量緩存和當前的吞吐量的平衡。JAIN N等^[32]提出了一種兩階段的能量收集和頻譜共享策略，將節點的工作狀態分為兩個階段：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據以及主用戶數據。文獻[31]和[32]僅考慮一跳節點的情況，文獻[33]則在多跳傳感器網絡中研究模式選擇的問題，通過設計最優中繼節點選擇方法以及確定最佳充電時間長度，實現最小化傳感器節點的中斷概率。在此基礎上，當多跳路徑確定時，文獻[34]通過分配節點的發送功率和優化節點能量收集時間，在保證主用戶傳輸要求下，最大化傳感器網絡的端到端吞吐量。

3 能量收集認知傳感器網絡未來的研究方向

    現有研究表明EHCRSNs在網絡生存期、吞吐量、網絡效用等方面都具有巨大的提升潛力。目前，對于該網絡的研究還處于初級階段，還有很多問題沒有解決，例如網絡協議結構的設計、能量資源的動態平衡、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 網絡協議架構

    為了適應EHCRSNs的特征，需要重新設計網絡的協議架構。首先，物理層協議設計，一方面需要將一些新的物理層技術引入傳感器網絡來提高物理層傳輸效率；另一方面要協調數據傳輸和頻譜檢測對物理層的不同要求，尤其是在基于RF能量收集技術的EHCRSNs中，還需要考慮能量收集效率與物理層特性的關系。其次，在多址接入協議設計方面，在EHCRSNs中，信道的動態接入必須考慮能量管理，尤其是采用RF能量收集技術時，節點所能收集的能量取決于所接入信道的信號強度。此外，所設計的多址接入協議，除了要實現信道接入機制與動態的信道狀態匹配，還需要控制鄰居節點的接入信道和數據傳輸的時間，及確定接收信號用于解碼和能量收集的比例。節點的接入控制策略還將影響多跳網絡的端到端性能，需要確定其影響方式，進而在保證端到端性能的基礎上，確定節點的接入策略。在路由協議設計方面，由于EHCRSNs具有能量的動態變化、能量分布的非均衡和頻譜檢測結果與地理位置緊相關等特性，如果直接采用現有路由協議，不僅無法有效地利用認知無線電技術帶來的頻譜增益和能量收集技術收集到的能量，還可能會導致網絡性能的嚴重下降。因此，已有路由協議不能直接用于EHCRSNs中，需要設計新的自適應動態路由協議。

    此外，在分布式多跳網絡中，動態的信道接入不僅需要考慮主次用戶間的干擾，同時還應盡量避免節點間的同頻干擾，當網絡采用動態路由協議時，網絡拓撲不斷變化，節點間干擾及能量傳遞關系也不斷變化，需要考慮跨層協議設計，實現節點接入與網絡拓撲的動態適應。

3.2 能量緩存和網絡性能的動態平衡

    傳感器網絡特殊的組網形式導致了能量消耗的不平衡：越接近sink節點的傳感器節點，承擔的中繼業務越繁重，為傳輸中繼業務，這些節點需要消耗更多的能量，導致了能量瓶頸區域的出現，即產生了能量空洞問題。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技術的節點在發送數據業務的同時，可以進行能量傳遞。利用SWIPT技術，離sink節點較近的節點，可以利用接受中繼業務時收集的能量，來發送這些中繼業務，從而避免能量空洞的產生。但是，采用SWIPT技術后，網絡又面臨兩個新的挑戰。首先，信息的發送和能量的傳輸都會遇到信道衰落和路徑損耗，因而它們對信道質量和傳輸距離都非常敏感，這就要求設計基于SWIPT的機制時，需考慮動態的信道狀態和傳感器節點間的距離。其次，一些網絡性能指標彼此之間是不一致的，甚至是矛盾的，例如網絡的吞吐量和能量的保持。采用SWIPT技術的傳感器網絡，其數據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系。因此，在設計資源分配策略時，需要在吞吐量、端到端延時等網絡性能和網絡的可持續性之間取得平衡。

3.3 能效和譜效的折中

    能量收集過程的動態性和隨機性，導致了能量消耗過程和能量更新過程的動態平衡難以達到，具體來說，節點內能量消耗過快或過慢，會導致節點無法正常工作或能量利用率低。節點可用頻譜由主用戶動態的行為來決定，如果主用戶的狀態變化頻繁，會導致傳感器節點需要不斷檢測信道以及在不同信道上來回切換。例如，當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據傳輸的干擾，傳感器節點需要不斷地中斷傳輸，檢測信道，接入新的信道，這對于網絡頻譜管理是一個非常大的挑戰。此外，信道檢測可能存在錯誤，檢測結果準確性與檢測時間和耗能呈正相關，即信道檢測所用的時間越長或消耗的能量越多，所得到的檢測結果就越準確，從而傳感器節點的數據傳輸就更有效率。然而，在基于時隙的網絡中，信道檢測所用的時間越多，留給數據傳輸的時間就越少，可能會導致作為次級用戶的傳感器節點的性能下降。傳感器節點的發送功率同時影響節點的性能和能量的消耗，因此，通過資源分配實現能效和譜效的折中是EHCRSNs的重要研究方向。實現譜效和能效的折中的關鍵是基于能量收集過程和信道條件來自適應調整發送功率和選擇節點工作狀態：保守的功率分配策略和接入策略將會限制節點的性能并且不能充分地利用網絡資源；冒進的分配策略則會使網絡無法持續正常工作。

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絡的性能，還會嚴重限制其相關應用，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，在給定節點之間的距離和信道狀態下，增大接收信號強度是提高能量收集效率的關鍵。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]在室內環境中證明，采用8×8的天線，可將接收信號強度增加一個數量級。然而，傳感器體積較小，無法直接采用多天線技術，利用分布式傳感器構成多用戶-多天線系統有可能會提高RF能量收集效率。這種多用戶-多天線系統在實際應用中會存在一些困難，例如，準確的信道狀態信息反饋，頻譜和時間的精確同步。

    在可預見的未來，會有大量的傳感器被布設，EHCRSNs將組成一個大規模的綠色通信系統。然而，能量來源的不穩定性和隨機變化特征使得傳感器節點不可避免地面臨無法預測的中斷，這對于網絡持續有效運行是一個巨大的挑戰。通過布設專用RF能量發送節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：能量發送節點該如何布設，才能讓每個傳感器節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備的節點；采用可移動的能量節點時，如何優化節點的運動軌跡，使得每個節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，保證數據的傳輸。

4 結論

    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絡的產生，它有著傳統傳感器網絡無法比擬的優勢，具有極大的發展潛力，給傳感器網絡發展帶來了新的機遇，為物聯網的發展奠定了基礎。本文總結了能量收集認知傳感器網絡的特征，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，然而對于該網絡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絡資源管理方面分析了該網絡面臨的挑戰，并給出一些可能的研究方向。

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文獻[10]-[37]略

作者信息：

焦萬果，李昱融，周  雯

（南京林業大學 信息科學技術學院，江蘇 南京210037）