基于無線傳感器網絡的基本概念與應用前景及結構體系

“無線傳感器網絡集成了傳感器、微機電系統(tǒng)和網絡通信三大技術，其巨大的應用前景備受學術界和工業(yè)界廣泛關注。

文章在介紹無線傳感器網絡基本概念、應用前景、網絡體系結構和一些代表性研究項目的基礎上，結合超寬帶無線傳輸技術的特點，闡述了超寬帶無線傳感器網絡的主要優(yōu)勢，給出了物理層通信鏈路技術、介質訪問控制方法、網絡層路由協(xié)議以及測距定位技術等關鍵技術的研究思路。

無線傳感器網絡是當前國際上備受關注的由多學科交叉的新興前沿研究熱點領域。傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、無線網絡通信技術、分布式信息處理技術以及微機電技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(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)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶，從而實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。2003年，美國《技術評論》雜志論述未來新興十大技術時，無線傳感器網絡被列為第一。美國《今日防務》雜志更認為無線傳感器網絡的應用和發(fā)展將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰(zhàn)爭的變革?？梢灶A計，無線傳感器網絡的發(fā)展和廣泛應用，將對人們的社會生活和產業(yè)變革帶來極大的影響和產生巨大的推動。

無線傳感器網絡節(jié)點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由于存在中頻、射頻等電路和一些固有組件的限制難以達到無線傳感器網絡的要求。超寬帶通信技術是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無線傳輸技術，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。這些優(yōu)點使超寬帶無線傳輸技術和無線傳感器網絡形成天然的結合，使基于超寬帶技術的無線傳感器網絡的研究和開發(fā)得到越來越多的關注。

1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是一種特殊的自組織（Ad-hoc）網絡，可應用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達的區(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)生自然災害時，固定通信網絡被破壞）。它不需要固定網絡支持，具有快速展開，抗毀性強等特點，可廣泛應用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領域。

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

1.1網絡體系結構

圖1給出了一個典型的無線傳感器網絡的系統(tǒng)結構，包括分布式傳感器節(jié)點（群）、接收發(fā)送器（Sink）、互聯(lián)網（或衛(wèi)星等）和任務管理界面等［1］。其中，傳感器網絡節(jié)點結構如圖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。

對于無線傳感器網絡來說，其網絡體系結構不同于傳統(tǒng)的計算機網絡和通信網絡。圖3給出了一種無線傳感器網絡的體系結構，由分層的網絡通信協(xié)議和傳感器網絡管理模塊組成。分層的網絡通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成；網絡管理模塊包括能量管理、拓撲管理、Qos控制、移動性管理和網絡安全等。

1.2網絡研究進展和應用前景

在美國軍方、美國國家自然科學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絡的研究和開發(fā)。其中，具有代表性的項目包括：1993—1999年間由美國國防高級研究計劃署（DARPA）資助，加州大學洛杉磯分校（UCLA）承擔的WINS項目；1999—2001年間由DAPRA資助，UCBerkeley承擔的SmartDust項目；1998—2002年DARPA資助，加州大學伯克利分校等25個機構聯(lián)合承擔的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)的無線傳感器網絡節(jié)點有：BerkeleyMotes、Berkeley Piconodes、Sensoria WINS、MIT uAMPs、Smart Mesh Dust Mote、Intel iMote以及Intel Xscale Nodes等。不同的節(jié)點設計針對不同的應用場合，硬件大小、功耗、設計代價也不盡相同，但大部分的節(jié)點都支持TinyOS操作系統(tǒng)。近年來，在中國國家自然科學基金、國家“863”計劃基金的支持下，中國的一些研究機構也開始開展無線傳感器網絡領域的研究，包括中國科學技術大學、清華大學、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。

國內外研究機構紛紛開展無線傳感器網絡的研究，完全歸功于其廣闊的應用前景和對社會生活的巨大影響。表1總結歸納了無線傳感器網絡潛在的應用領域。
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