無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用分析

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種由大量低復(fù)雜度的傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的無線網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)三項基本功能。根據(jù)OSI的標準網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧如圖1所示[1]。

圖1　傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

協(xié)議棧中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC層構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)。物理層包括編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率、通信功耗和通信頻段等問題，MAC層主要解決多節(jié)點通信沖突時信道資源的分配問題；二者目前均有多種技術(shù)可供選擇。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身的特點使其在實際應(yīng)用中存在著能量供給時間限制與通信作用距離限制。為拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由的傳輸機制。由于通信距離的延長一般伴隨著能耗的增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應(yīng)盡量減少單跳通信距離。

低功耗、低成本、低復(fù)雜度和短距離是物理層標準的主要選擇指標，近年來，IEEE 802.15正考慮將超寬帶通信技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層標準。IEEE 802.15系列標準由IEEE協(xié)會的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Personal Area Network，WPAN）工作組主導(dǎo)制定。該系統(tǒng)標準主要應(yīng)用于小范圍的無線網(wǎng)絡(luò)。

2、超寬帶無線技術(shù)（Ultra Wide Band，UWB）

超寬帶無線技術(shù)是一種短距離、使用1GHz以上帶寬且信號功率譜密度低的最先進的無線通信技術(shù)。該技術(shù)最初由美國國防部1989年提出，2002年4月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）發(fā)布了UWB設(shè)備的初步規(guī)范。目前UWB技術(shù)在短距離無線通信中逐漸得到越來越多的應(yīng)用。

超寬帶定義的范疇包括任何使用超寬頻譜的系統(tǒng)。任何無線電系統(tǒng)，只要它滿足下面的條件之一就稱為超寬帶系統(tǒng)：

（1）、（2）兩式中，fH和fL分別是傳輸帶寬的高端頻率和低端頻率。

超寬帶無線通信具有以下特點：

（1）高傳輸速率。因為系統(tǒng)的頻帶很寬，根據(jù)香農(nóng)信道公式，在低信噪比的情況下，系統(tǒng)也可以在短距離上實現(xiàn)幾百兆比特每秒至1Gbit/s的傳輸速率。

（2）高定位精度。因為采用持續(xù)時間極短的窄脈沖，時間、空間分辨能力都很強，所以UWB信號的多徑分辨率極高。超寬帶無線電通信可以將定位與通信合一，與GPS提供絕對地理位置不同，基帶窄脈沖形式的信號可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。

（3）共享頻譜。因為信號被擴展到很寬的頻譜上，所以系統(tǒng)發(fā)射的功率譜密度非常低，對于其他系統(tǒng)來說類似于背景噪音，因此可以與其他窄帶信號共享頻譜。

（4）穿透力強。因為基帶窄脈沖中含有較多的低頻分量，所以可順利地穿過土地、混凝土、水體等介質(zhì)進行探測。

3、超寬帶應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)的標準化進程

在標準制定上，IEEE 802.15.3標準組是采用UWB做為無線通信物理層標準的主要推動者。聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）推出超寬帶后，IEEE 802.15.3標準組織于2003年和2004年先后成立了802.15.3a和802.15.4a兩個任務(wù)組。前者用于擬定高速率通信標準，后者致力于擬定低速率通信標準。

IEEE 802.15.3a任務(wù)組集中了UWB論壇和Wi-Media聯(lián)盟兩大陣營所各自倡導(dǎo)的標準：DS-UWB和MB-OFDM。主導(dǎo)DS-UWB的是Freescale，主導(dǎo)MB-OFDM的是Intel、Kodak、Microsoft、HP和TI等。DS-UWB提案采用擴頻技術(shù)，使用3.1～4.9GHz的低波段和6.2～9.7GHz的高波段，其中低波段的通信速率為28Mbit/s～1Gbit/s，高波段的通信速率為2Gbit/s。MB-OFDM提案采用OFDM技術(shù)，將UWB的頻譜劃分為14個波段，每個528MHz帶寬，它支持53～480Mbit/s的通信速率。為贏得未來的市場，UWB論壇和WiMedia聯(lián)盟致力于在全世界推廣各自所支持的技術(shù)標準。由于經(jīng)過多次投票表決，無法統(tǒng)一標準。在2006年1月份召開的IEEE 802會議上，802.15.3a經(jīng)過投票，解散了任務(wù)組，這使得UWB在IEEE的標準化進程被終止；也使得目前存在著兩種不同的標準在全球市場進行競爭。802.15.4a任務(wù)組的工作則比較順利，一種基于擴頻的低速率UWB方案正在被草擬入標準之中，經(jīng)過2006年一年的準備，正式標準預(yù)計將于2007年發(fā)布。低速率UWB方案的任務(wù)要求包括10cm范圍內(nèi)的定位精度，30m的通信距離和不低于1Mbit/s的傳輸速率。致力于推進IEEE 802.15.4a低速率個人局域網(wǎng)技術(shù)標準的組織是ZigBee聯(lián)盟。

4、基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究問題

目前超寬帶技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究主要集中在空間物理層接口設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位設(shè)計和解決信道資源分配問題的MAC層算法設(shè)計等方面。

4.1　物理層設(shè)計

物理層的設(shè)計目標是在各種應(yīng)用場景中提供可靠通信，以有效的方式減輕移動通信中的多徑干擾，提供滿足系統(tǒng)實時性要求的點對點高速率視頻通信和音頻信號傳輸，解決由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳傳輸造成的網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低的問題。

文獻[2]提出了一種作用距離為100m，通信帶寬為1GHz，載波頻率為6GHz，支持10 Mbit/s和40 Mbit/s 兩種碼速率的基于UWB的物理層方案。該方案采用16bit Walsh-Hadamard序列直接擴頻；采用多載波通信（MDM）減輕多徑干擾，即數(shù)據(jù)符號首先分組，然后映射到一套具有擴展了符號發(fā)送時間的正交序列上，這樣，碼間干擾（ISI）可以由于序列的正交性得到消除；為消除來自節(jié)點本身的發(fā)送自干擾和所接收到的來自其他節(jié)點的信號干擾的問題，在MAC層采用了具有正交特性的碼分體制；制定了三種通信模式，通過導(dǎo)頻符號對信道進行檢測估計和實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制。文獻[3]提出了一種將UWB做為物理層，采用PPM作為解調(diào)方式的WSN的接收器設(shè)計方案；文獻[4]在將UWB納入物理層標準的基礎(chǔ)上，以提高能量利用效率為目標，提出了一種跨網(wǎng)絡(luò)層次的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方案。

4.2　定位設(shè)計

在目標檢測、目標跟蹤、目標搜索、制導(dǎo)、路由等應(yīng)用場景中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求傳感器節(jié)點能夠確定它們的物理位置。為了解決這一問題，近年來研究機構(gòu)提出了許多定位方案�？偟膩碚f，這些方案共同點是認為首先應(yīng)通過GPS或者人工初始配置的方式確定網(wǎng)絡(luò)中少數(shù)節(jié)點的地理位置；不同點是有的直接通過點對點的距離和角度定位，有的通過與鄰近節(jié)點的關(guān)系定位。相比較而言，前一類方法可以提供精確的定位，但由于需要執(zhí)行精確的距離與角度測量故對硬件有很高的要求；第二類方法定位精度低，但對硬件的要求也較低。

目前的方案大多數(shù)針對條件良好的應(yīng)用場景設(shè)計。如果在戰(zhàn)場環(huán)境中，敵人有可能利用這些定位方案的缺點進行攻擊，從而破壞整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。比如冒充被測節(jié)點、發(fā)送虛假應(yīng)答信號、截獲來自被測節(jié)點的真實應(yīng)答信號等。文獻[5]對現(xiàn)有的定位機制進行改進，通過在整個通信覆蓋區(qū)域添加空間可移動的傳感器節(jié)點提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的安全性，形成了基于UWB傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動輔助的安全定位機制。與傳統(tǒng)的定位方法所不同是這種移動輔助的算法不需要每個傳感器節(jié)點準確地測量與簇頭的距離并進行最小均方估計（MMSE）只需對移動的節(jié)點信號進行應(yīng)答，將距離測量和定位計算等任務(wù)被轉(zhuǎn)交給移動節(jié)點完成。文獻[6]建議采用UWB的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多天線收發(fā)進行定位以進一步提高精確度；文獻[7]在利用UWB進行定位的基礎(chǔ)上，建議針對不同鏈接情況采用不同的調(diào)制技術(shù)；文獻[8]利用UWB的精確定位功能進行靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的確定，在此基礎(chǔ)上根據(jù)能量最省的原則推導(dǎo)了能量消耗與路由選擇之間的關(guān)系。

4.3　MAC層設(shè)計

文獻[9]列舉了一個已經(jīng)應(yīng)用于體育運動的設(shè)計方案，通過案例說明了將UWB應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的可能性以及由此帶來的效益。在設(shè)計方案中，傳感器節(jié)點被設(shè)計為移動節(jié)點和固定節(jié)點兩種，移動節(jié)點主要利用UWB的定位精度向固定節(jié)點實時發(fā)送坐標信息，而固定節(jié)點則用于信息的收集、融合以及與后端服務(wù)器的通信。UWB的低能量消耗的特點可以有效節(jié)約移動節(jié)點的有限能源從而延長其工作壽命。為解決多節(jié)點同時訪問同一目的節(jié)點而引發(fā)的共享信道的問題，該方案在MAC問題中采取了分時調(diào)用的方式。文獻[10]分析了MAC問題產(chǎn)生的原因，介紹Aloha和CSMA（Carrier Sense Multiple Access）兩種主要的MAC協(xié)議并指出為了適用于多跳傳輸應(yīng)當在具體應(yīng)用中對這兩種協(xié)議進行修改。以Aloha為例分析了網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積與總吞吐量之間的關(guān)系，提出對網(wǎng)絡(luò)的整體性能采用總吞吐量作為指標進行衡量，對單個鏈接的性能采用傳輸損耗概率進行衡量；分析了衡量MAC問題的指標與UWB作用下的網(wǎng)絡(luò)半徑的之間關(guān)系。通過分析指出即使增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信的跳數(shù)，小的覆蓋半徑依然可以減少多路訪問問題造成的干擾。

5、結(jié)束語

超寬帶技術(shù)憑借帶寬、功耗、定位精度等方面的優(yōu)勢成為無線通信領(lǐng)域一個非常有前景的技術(shù)。由于滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、高定位精度等要求，超寬帶技術(shù)將會成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層最理想的通信協(xié)議之一并將為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供新的發(fā)展機遇。