基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念與應(yīng)用前景及結(jié)構(gòu)體系

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信三大技術(shù)，其巨大的應(yīng)用前景備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注。

文章在介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念、應(yīng)用前景、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和一些代表性研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，結(jié)合超寬帶無線傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，闡述了超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢，給出了物理層通信鏈路技術(shù)、介質(zhì)訪問控制方法、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議以及測距定位技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究思路。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的由多學(xué)科交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及微機(jī)電技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶，從而實(shí)現(xiàn)“無處不在的計算”理念。2003年，美國《技術(shù)評論》雜志論述未來新興十大技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。美國《今日防務(wù)》雜志更認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展將引起一場劃時代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭的變革?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一個重要特征就是低功耗、低成本和小體積。傳統(tǒng)的正弦載波無線傳輸技術(shù)由于存在中頻、射頻等電路和一些固有組件的限制難以達(dá)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。超寬帶通信技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無線傳輸技術(shù)，它通常采用極窄脈沖（脈寬在納秒至皮秒量級）或極寬的頻譜（相對帶寬大于20%或絕對帶寬大于500MHz）傳送信息。相對于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng)，超寬帶無線通信系統(tǒng)具有高傳輸速率、高空間頻譜效率、高測距精度、低截獲概率、抗多徑干擾、與現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜共享、低功耗、低成本、易于全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使超寬帶無線傳輸技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成天然的結(jié)合，使基于超寬帶技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)得到越來越多的關(guān)注。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的自組織（Ad-hoc）網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域（如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對區(qū)域）和一些臨時場合（如發(fā)生自然災(zāi)害時，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞）。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感器節(jié)點(diǎn)拋撒到感興趣區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過自組織快速形成一個無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)（一些文獻(xiàn)稱其為SinkNode）是一個特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信，也可以利用無人機(jī)飛越網(wǎng)絡(luò)上空，通過網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)。

1.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖1給出了一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)（群）、接收發(fā)送器（Sink）、互聯(lián)網(wǎng)（或衛(wèi)星等）和任務(wù)管理界面等［1］。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本組成包括4個基本單元：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲器和嵌入式操作系統(tǒng)等）、無線通信單元以及電源。另外，可以選擇的其他功能單元有：電源自供電系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。圖3給出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和傳感器網(wǎng)絡(luò)管理模塊組成。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成；網(wǎng)絡(luò)管理模塊包括能量管理、拓?fù)涔芾?、Qos控制、移動性管理和網(wǎng)絡(luò)安全等。

1.2網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展和應(yīng)用前景

在美國軍方、美國國家自然科學(xué)基金和一些跨國企業(yè)的支持下，美國在90年代初便開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)。其中，具有代表性的項(xiàng)目包括：1993—1999年間由美國國防高級研究計劃署（DARPA）資助，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）承擔(dān)的WINS項(xiàng)目；1999—2001年間由DAPRA資助，UCBerkeley承擔(dān)的SmartDust項(xiàng)目；1998—2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計劃；1999—2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。目前為止，已開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有：BerkeleyMotes、Berkeley Piconodes、Sensoria WINS、MIT uAMPs、Smart Mesh Dust Mote、Intel iMote以及Intel Xscale Nodes等。不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)計針對不同的應(yīng)用場合，硬件大小、功耗、設(shè)計代價也不盡相同，但大部分的節(jié)點(diǎn)都支持TinyOS操作系統(tǒng)。近年來，在中國國家自然科學(xué)基金、國家“863”計劃基金的支持下，中國的一些研究機(jī)構(gòu)也開始開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究，包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，完全歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對社會生活的巨大影響。表1總結(jié)歸納了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
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