信息感知和采集的一场新革命无线传感器网络的研究及应用.docx
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信息感知和采集的一场新革命无线传感器网络的研究及应用
信息感知和采集的一场新革命---无线传感器网络的研究及应用
【摘要】本文简要介绍了无线传感器网络的发展背景和历史、基本概念和基本原理,分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。
进而介绍了无线传感器网络的研究现状,分析了当前无线传感器网络的研究热点如通信协议、网络管理技术、应用支撑技术和仿真工具等关键技术。
最后对无线传感器网络在军事领域的应用前景及应用模式进行了分析和展望。
【关键词】无线传感器网络 研究现状 研究热点 军事应用
一、概述
当前,无线传感器网络是国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现了物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通[1]。
无线传感器网络被认为是信息感知和采集的一场革命,2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
可以预见,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的生活和产业变革产生深远影响。
1.1发展背景和历史
传感器网络源于美国国防先进研究项目局(DARPA-DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)的潜艇监测研究项目。
在冷战时期,为了监测敌方潜艇的活动情况,需要在海洋中布置大量的传感器,使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动[2]。
但是由于当时技术条件的限制,使得传感器网络的应用难以得到大面积推广和发展。
信息的获取是实现信息化的前提,近年来,随着无线通信、微处理器、MEMS等信息获取技术和传送技术的进步,传感器网络的概念有很大发展,为传感器网络的发展和应用奠定了基础。
使得无线传感器网络的理想蓝图能够得以实现,其应用前景越来越广,由此成为当前信息领域的研究热点[3]。
到目前为止,它的发展主要经历了以下四个阶段:
第一代传感器网络:
20世纪70年代。
点对点传输,具有简单信息获取能力。
第二代传感器网络:
具有获取多种信息的综合能力,采用串/并接口与传感控制器相联。
第三代传感器网络:
20世纪末期。
智能传感器采用现场总线连接传感控制器构成局域网络。
第四代传感器网络:
以无线传感器网络为标志,正处于研究和开发阶段[4]。
1.2基本概念及基本原理
无线传感网络是无线Adhoc网络的一个重要研究分支,由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成,借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。
1.2.1节点
传感器网络的基本组成单位是节点,它一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成,如图1所示。
传感器节点除此之外根据具体应用的需要可能还应该有定位系统、电源再生单元和移动单元等。
节点都具有传感、信号处理和无线通信功能。
根据应用的需要,节点的体积和质量都应比较小,比如要小到足以使它悬浮在空中进行数据采集。
节点的电源模块采用只能携带有限能量的电池来实现,这使得节能成为无线传感器网络设计的核心。
图1传感器网络节点的组成模块
1.2.2网络结构
在传感器网络中,通过相邻节点以多跳中继方式将数据传回sink节点(接收发送器),借助sink链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理并最后传送给最终用户。
一个典型的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点、sink节点、互联网和用户界面等[5],如图2所示。
在传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围,而sink节点的发射能力较强,具有较高的电能,可以把数据以卫星信道或者有线网络连接的方式发回远程控制中心。
反之,远程控制中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。
图2传感器网络的结构
1.3无线传感器网络的特点
目前常见的无线网络包括蜂窝通信网、无线局域网、蓝牙网络、MANET网络等,无线传感器网络的组成及应用场景和上述传统网络有较大的不同,是一种综合传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术为一体的网络。
1.3.1特点
●资源受限:
节点只具有有限的电池能量、硬件资源、计算能力、程序空间和内存空间,在节点操作系统设计中,协议层次不能太复杂,并且任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
●快速部署:
网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点一旦被抛撒,开机后就可以快速、自动地即以自组织方式构成网络。
●动态拓扑:
节点可以随处移动;节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行;也可能由于工作的需要而被添加到网络中;这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。
●多跳路由:
每个节点只与其邻居节点进行通信,与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,需要通过中间节点进行多跳路由。
●以数据为中心:
用户对所需数据的收集,是以数据为中心进行,并不依靠节点的标号。
1.3.2与移动MANET网络的区别
●节点数量极大,节点的分布密度远远超过MANET网络;
●节点一般不像MANET节点一样快速移动,但节点可能会随时加入或离开;
●节点出现故障的可能性明显大于MANET网络节点;
●节点主要采用广播方式通信,而MANET网络大都采用点对点方式通信;
●节点的电池能量、计算能力和存储能力更为有限
二、研究现状
2.1军事领域的研究现状
传感器网络广阔的应用前景和重要的军事价值引起了美国军方的高度重视,美军很早就开始了这方面的研究:
2000年,美国国防部把SmartSensorWeb定为国防部科学技术5个尖端研究领域之一。
SmartSensorWeb的基本思想是在整个作战空间中放置大量的传感器节点来收集、传递信息,并且将信息汇集到融合点,在那里综合成一张图片,并分发给需要该信息的作战者。
SmartSensorWeb将为军队提供大覆盖面、及时、高分辨率信息的能力,SmartSensorWeb是智能、安全、以Web为中心的传感器信息分发和融合网络,可以提高军队的敏感度。
美国陆军2001年提出了“灵巧传感器网络通信”计划,灵巧传感器网络通信的目标是建设一个通用通信基础设施,支援前方部署,将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络,成倍地提高单一传感器的能力,使作战指挥员能更好、更快地做出决策,从而改进未来战斗系统的生存能力。
美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目,其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力,该项目是支持陆军“更广阔视野”的3个项目之一。
美国陆军最近还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。
该系统是一个智能化传感器网络,可以更为详尽、准确地探测到精确信息,如一些特殊地形地域的特种信息(登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息,丛林地带的地面坚硬度、干湿度)等,为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据。
它通过“数字化路标”作为传输工具,为各作战平台与单位提供“各取所需”的情报服务,使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。
该系统组由撒布型微传感器网络系统、机载和车载型侦察与探测设备等构成。
美国海军最近也确立了“传感器组网系统”研究项目。
传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统。
该系统可以利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理,而管理工作只需通过一台专用的商用便携机即可,不需要其他专用设备。
该系统以现有的带宽进行通信,并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息,该系统可以部署到各级指挥单位。
美国海军最近开展的网状传感器系统CEC(CooperativeEngagementCapability)是一项革命性的技术。
CEC是一个无线网络,其感知数据是原始的雷达数据。
该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理,每艘战船不但依赖于自己的雷达,还依靠其他战船或者装载CEC的战机来获取感知数据。
例如,一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外,还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据,也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据。
空中的传感器负责侦察更大范围的低空目标,这些传感器也是网络中重要的一部分,利用这些数据合成图片具有很高的精度。
由于CEC可以从多方面探测目标,极大地提高了测量精度,利用CEC数据可以准确地击中目标,CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹,使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标,因此,即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中。
到目前为止,根据国外的公开资料,美军已在进行的与传感器网络有关的研究项目如下:
●国防先进研究项目局DARPA-SensIT项目(SensorInformationTechnology)[6]
●国防先进研究项目局DARPA-信息利用办公室IXO(InformationExploitationOffice)[7]
●美国海军-可部署分布式自治系统DADS(DeployableAutonomousDistributedSystems)[8]
●美国陆军-目标部队的联网传感器NSOF(NetworkedSensorsforObjectiveForces)[9]
●美国空军-联合作战空域信息空间JBI(JointBattlespaceInfosphere)[10]
●美国宇航局-喷气推进试验室NASA-JPL传感器网项目(JetPropulsionLaboratorySensorWebsProject[11]
●美国海军-合作接敌能力CEC(CooperativeEngagementCapability)项目[12]
图3美军SensIT项目构想图
虽然美军很早就开始了这方面的研究,但一直没能取得满意的结果,至今未形成可用于实战的高效可靠的传感器网络,于是不得不借助于大学和科研究机构的力量。
近两年,有关传感器网络的研究活动在各大学及研究所大规模地开展起来。
美国政府已经斥巨资支持这方面的研究,在2003年度的美国自然科学基金资助了传感器与传感器系统及网络专项,拨款额度达到三千四百万美元。
美国国防部在这方面的研究投入更为巨大。
当前,在美国国防部高级规划署(DARPA)、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下,美国科学家正在对无线传感器网络所涉及的各个方面进行深入的研究。
2.2民用领域的研究现状
加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学、南加州大学、斯坦福大学等学校,从1993年就开始了无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究。
其中最具代表性的是UC/Berkeley大学和Intel联合成立的被称为智能尘埃(SmartDust)实验室。
加州大学伯克利分校研制的传感器系统Mica、Mica2、Mica2Dot已被广泛地用于低能无线传感器网络的研究和开发。
麻省理工学院致力于基于知识的信号处理技术。
哈佛大学研究传感器网络中通讯的理论基础等。
UCLA的WINS实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问能力进行了大量研究,提供了在同一个系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低功耗低成本无线网络等技术的解决方案。
RICE大学研制的Gnomes传感器网络由低成本的定制节点组成,每个节点包含一个德州仪器(TI)的微控制器、传感器和一个蓝牙通信模块。
现在,在其它国家和地区,如欧洲、日本、澳大利亚、英国、意大利等国家也纷纷开始了开展该领域的研究。
2.3学术界的研究现状
到现在为止,学术界对无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段。
第一阶段主要偏重利用MEMS技术设计小型化的节点设备,代表性的研究项目有SmartDust和WINS;对于网络技术和通信协议的关注和研究可以认为是无线传感器网络研究的第二个阶段,目前是无线网络研究领域的一个热点。
目前的研究工作还处于起步阶段,大量的问题还没有涉及到:
加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、基于相关性的Sensor数据编码模式、用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法、传感器网络上随时间变化的连续流可视化方法、允许系统级优化时有效通信机制的一般化解、传感器网络上的数据分布式存储的地理Hash表方法、确定传感器网络中节点位置的分布式算法等,并研制了一个专门适用于无线传感器网络的操作系统TinyOS[13]。
加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境,用于考察传感器网络各方面的问题,他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分布式系统技术、支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、变换初始感知为高级数据流的层次系统结构、传感器网络的时间同步的解决方法、自组织传感器网络的设计问题和解决方法、新的多路径模式等。
南加州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等。
斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空间方法以及由无网连接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架。
麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题,试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。
三、研究热点
传感器网络以应用为目标,其构建是一个庞大的系统工程,涉及到的研究工作和需要解决的问题很多。
目前,涉及无线传感器网络各个方面的研究工作都正在积极展开,由于很多问题都尚未得到彻底解决,因此研究空间很大。
3.1通信协议
在早期的研究中,人们认为MANET网协议稍加修改甚至无需修改就可以直接应用于无线传感器网络。
但是随着研究的深入,人们逐渐认识到这两种网络具有许多不同的特点,传感器网络不能简单借用以往MANET网的协议。
如果从网络分层模型的角度分析,每一层都有需要结合传感器网络的特点进行细致研究的问题,已有的研究主要集中在网络层和链路层。
下面主要对网络层协议需要解决的问题和已有的典型方案进行归纳总结[1]:
(1)以数据为中心的路由协议
这类路由协议基于数据查询服务,对监测数据按照属性命名,对相同属性的数据在传输过程中进行融合,从而减少冗余数据的传输。
这类协议同时集成了网络层路由任务和应用层数据管理任务,典型代表包括Flooding、Gossiping、SPIN和directeddiffusion协议。
(2)基于簇(cluster)的路由协议
在这类路由协议中,将传感器节点划分到一个个簇,监测数据首先传到簇首领,簇首领可以对采样数据进行融合,然后再转发到sink节点,以减少网络流量/这类路由协议的典型代表包括LEACH和TEEN。
其中,LEACH是一种非常优秀的设计思想,在无线传感器网络路由协议占有重要地位,TEEN、APTEEN、PEGASIS等大都由LEACH发展而来。
(3)基于位置的路由协议
这类路由协议利用位置信息将数据中转到目标区域,从而不必为了找到目标节点向全网广播数据,在很多情况下,利用位置信息可测量一对节点之间的距离,以便为数据报选择更节省能量的传输路径。
(4)基于数据流模型和服务质量要求的路由协议
这类路由协议力图在提供数据路由功能的同时满足通信服务质量要求。
其中有的协议通过计算各节点的剩余能量、发送数据报所需要的能量,来为数据流仔细选择发送路线,以求延长全网的寿命,有的协议借用与Internet中相似的QoS措施,为数据流选择能保证传输延时的路径。
除了前面几类经典的路由协议设计方法,近年,又出现了很多针对传感器网络的新路由协议和设计方法,路由协议研究正逐渐深入和务实例如,文献[14]中利用图论中流量优化的方法来为采样数据报选择路由。
文献[15]中将MAC层和路由层协议捆绑设计,用跨层优化技术来进一步节省功耗。
文献[16]的路由能对随机部署的传感器网络进行自适应调整网络拓扑,并让冗余节点经常处于睡眠状态。
3.2与无线通信新技术的结合
近十年来,形成了当今令人眼花缭乱的无线通信协议:
Bluetooth、802.11(Wi-Fi)、IrDA、ZigBee、UWB、NFC、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。
其中,Bluetooth、UWB和ZigBee等都在传感器网络中有着广泛的应用前景,是传感器网络应用中的研究热点。
它们都有其立足的特点,或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;或建立竞争技术的差异化等,但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。
与民用通信相比,军事通信有其固有的特点,需要有较好的隐蔽性和较强的抗干扰能力,UWB技术就是一种可以满足以上要求的新型通信技术。
这是因为与常规无线电相比,UWB具有如下优点:
1、非常简单的收发信机结构和硬件电路,低成本、低系统复杂性,可全数字化实现
2、空间传输容量大,可达1000kb/s/m2
3、对多径的高分辨能力
4、处理增益高,抗干扰能力强
5、功率谱密度低,信号隐蔽性好
6、与其他系统良好的同频段共存性
7、精确定位,定位能力可达厘米级,并且能在户内和地下进行
8、比红外通信有更强的穿透力,比毫米波通信也更加便宜
9、高传输速率
当前,国内外对无线传感器网络的研究大都是利用传统正弦无线通信作为传输手段,只有美国军方刚启动了“超宽带无线传感器网络”。
由于超宽带无线电通信应用于无线传感器网络能解决若干传统正弦无线电难以解决的问题,具有特别明显的优势,基于UWB的传感器网络的研究和开发,终将成为必然。
3.3传感器网络管理技术
●能量管理:
在传感器网络中,电源能量是各个节点最宝贵的资源,为了使传感器网络的使用时间尽可能的长,必须合理有效地利用能量,因此必须设计传感器网络能量管理部分控制节点对能量的使用。
●拓扑管理:
在传感器网络中,为了节约能量,某些节点在某些时刻会进入休眠状态,导致网络的拓扑结构不断变化,为了使网络能够正常运行,必须进行拓扑管理,控制各节点状态的转换,使网络保持畅通,数据能够有效传输。
●网络安全:
传感器网络多用于军事、商业领域,安全性是其重要的研究内容,由于传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性,使传统的安全机制无法适用,因此需要设计新型的网络安全机制。
3.4应用支撑技术
●时钟同步:
传感器网络中的通信协议和应用,比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等要求节点间的时钟必须保持同步。
文献[4]认为,考虑精简NTP(networktimeprotocol)协议的实现复杂度,将其移植到传感器网络中来应该是一个有价值的研究课题。
●定位机制与算法:
定位是军事应用的基础。
传感器网络中的定位机制与算法包括两部分:
节点自身定位和外部目标定位。
在节点自身定位方面,DARPA支持的军事应用背景的项目大多采用GPS技术,对于一些定位精度要求不高的项目则应用了LPS。
四、军事应用前景分析
传感器网络的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,这使得传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中。
在军事领域,传感器网络将会成为C4ISRT系统不可或缺的一部分,已受到了美国等军事发达国家的高度重视。
与独立的卫星和地面雷达系统相比,传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:
1、分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比和信息的准确度,这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的问题之一。
2、传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。
3、传感器节点与探测目标的近距离接触大大降低了环境对系统性能的影响。
4、节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。
5、多节点联合,能形成覆盖面积较大的实时探测区域。
6、借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力,能有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
4.1美军传感器网络的构建与应用
现代战争中信息的及时获取和反应对整个战局的影响至关重要,传感器网络由协调工作的信息获取和传输节点构成,可以给指挥部门提供及时、准确的信息。
美国军方的以下系统中,传感器网络是重要组成部分:
●力图改变战争形态的合作接敌能力CEC(CooperativeEngagementCapability)项目,试图建立所有传感器的网络,在对敌方舰船目标的检测,识别,跟踪能力上形成革命性的突破。
●美国构想了的立体化战场专用无线网络,由卫星和空中平台作为路由器和专用传感器网络组成的网络[17]。
●美国陆军的未来战斗系统(FutureCombatSystems,FCS)中正在研制的针对目标部队的传感器网络NSOF(NetworkedSensorsforObjectiveForces)[9]。
其中计划采用无人机UAV(unmannedaerialvehicle)提供空中的支持,如图4所示。
●美国海军的可部署分布式自治系统DADS(DeployableAutonomousDistributedSystems)项目,试图在水下建立靠电池供电的声学(acoustic)和电磁学传感器节点组成的网络来检测和跟踪水面舰只和潜艇,系统期望的工作时间是60-90天[8]。
此外,美国五角大楼还提出了“智能尘埃”的设计思想,也就是在战场上抛撒数千个微小的无线传感器,用于监控敌人的活动情况,而不让敌方察觉。
通过自组织一个无线传感器网络,“智能尘埃”将对相关原始数据进行过滤,把重要的信息发送给中央司令部。
“智能尘埃”的特点就是体积小、功耗低、自组织、无线通讯,这也是网络化的微型传感器的特征。
图4针对目标部队的传感器网络
4.2军事应用前景分析
信息化战争中,谁在信息的获取、传输、处理上占据优势,谁就能掌握战争的主动权,传感器在现代高技术战争中的应用,已成为国防科技现代化的重要标志之一。
传感器网络的应用必将进一步扩大未来高技术战争的作战时域、空域和频域,进而影响作战的方式和效率,提高武器的威力和指挥的效率。
在战场上,利用飞机投掷、火炮发射或人工设置等其他合适手段按一定密度散布大量微型廉价传感器节点在所要侦测的地域,特别是其它侦察器材“视线”达不到的地域。
传感器节点自动启动,并采集周边的敌方情报(温度、湿度、声音强度、物体移动等),将监测到的数据通过卫星或其它等方式发送回基地,从而能大大扩展战场信息探测的时空范围。
从军事用途的不同场景来分析,传感器网络至少在以下几个方面有广阔的应用前景:
●监测人员、装备:
通过在人员、装备上附带各种传感器,可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。
●监测冲突区和军事要地:
通过部署传感器网络,以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防;当然,也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地,在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。
●监测敌军进攻:
在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器,及时发现敌军的进攻行动和意图,为我方争取宝贵的应对时间。
并根据战况快速调整和部署新的传感器网络。
●评估战果:
在进攻前后,在攻击目标附近部署传感器网络,收集目标被
破坏程度的数据,对打
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