基于无线传感器网络的基本概念与应用前景及结构体系

“无线传感器网络集成了传感器、微机电系统和网络通信三大技术，其巨大的应用前景备受学术界和工业界广泛关注。

文章在介绍无线传感器网络基本概念、应用前景、网络体系结构和一些代表性研究项目的基础上，结合超宽带无线传输技术的特点，阐述了超宽带无线传感器网络的主要优势，给出了物理层通信链路技术、介质访问控制方法、网络层路由协议以及测距定位技术等关键技术的研究思路。

无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等，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，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现“无处不在的计算”理念。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。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

无线传感器网络节点的一个重要特征就是低功耗、低成本和小体积。传统的正弦载波无线传输技术由于存在中频、射频等电路和一些固有组件的限制难以达到无线传感器网络的要求。超宽带通信技术是一种非传统的、新颖的无线传输技术，它通常采用极窄脉冲（脉宽在纳秒至皮秒量级）或极宽的频谱（相对带宽大于20%或绝对带宽大于500MHz）传送信息。相对于传统的正弦载波通信系统，超宽带无线通信系统具有高传输速率、高空间频谱效率、高测距精度、低截获概率、抗多径干扰、与现有系统频谱共享、低功耗、低成本、易于全数字化等诸多优点。这些优点使超宽带无线传输技术和无线传感器网络形成天然的结合，使基于超宽带技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。

1 无线传感器网络

无线传感器网络是一种特殊的自组织（Ad-hoc）网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域（如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域）和一些临时场合（如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏）。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。

无线传感器网络的典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点抛撒到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关（一些文献称其为SinkNode）是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信，也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。

1.1网络体系结构

图1给出了一个典型的无线传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点（群）、接收发送器（Sink）、互联网（或卫星等）和任务管理界面等［1］。其中，传感器网络节点结构如图2所示，基本组成包括4个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器和嵌入式操作系统等）、无线通信单元以及电源。另外，可以选择的其他功能单元有：电源自供电系统、定位系统等。

对于无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。图3给出了一种无线传感器网络的体系结构，由分层的网络通信协议和传感器网络管理模块组成。分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成；网络管理模块包括能量管理、拓扑管理、Qos控制、移动性管理和网络安全等。

1.2网络研究进展和应用前景

在美国军方、美国国家自然科学基金和一些跨国企业的支持下，美国在90年代初便开展了无线传感器网络的研究和开发。其中，具有代表性的项目包括：1993—1999年间由美国国防高级研究计划署（DARPA）资助，加州大学洛杉矶分校（UCLA）承担的WINS项目；1999—2001年间由DAPRA资助，UCBerkeley承担的SmartDust项目；1998—2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；1999—2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。目前为止，已开发的无线传感器网络节点有：BerkeleyMotes、Berkeley Piconodes、Sensoria WINS、MIT uAMPs、Smart Mesh Dust Mote、Intel iMote以及Intel Xscale Nodes等。不同的节点设计针对不同的应用场合，硬件大小、功耗、设计代价也不尽相同，但大部分的节点都支持TinyOS操作系统。近年来，在中国国家自然科学基金、国家“863”计划基金的支持下，中国的一些研究机构也开始开展无线传感器网络领域的研究，包括中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。

国内外研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，完全归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。表1总结归纳了无线传感器网络潜在的应用领域。
编辑：lyn