基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡
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無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)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500 MHz)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(wǎng)絡形成天然的結(jié)合，使基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)得到越來越多的關注。
1 無線傳感器網(wǎng)絡
無線傳感器網(wǎng)絡是一種特殊的自組織(Ad-hoc)網(wǎng)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(wǎng)絡被破壞)。它不需要固定網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)關。網(wǎng)關(一些文獻稱其為Sink Node)是一個特殊的節(jié)點，可以通過Internet、移動通信網(wǎng)絡、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信，也可以利用無人機飛越網(wǎng)絡上空，通過網(wǎng)關采集數(shù)據(jù)。
1.1 網(wǎng)絡體系結(jié)構
圖1給出了一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構，包括分布式傳感器節(jié)點(群)、接收發(fā)送器(Sink)、互聯(lián)網(wǎng)(或衛(wèi)星等)和任務管理界面等[1]。其中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)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(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)絡來說，其網(wǎng)絡體系結(jié)構不同于傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡。圖3給出了一種無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構，由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議和傳感器網(wǎng)絡管理模塊組成。分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成；網(wǎng)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(wǎng)絡安全等。
1.2 網(wǎng)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(wǎng)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，UC Berkeley承擔的Smart Dust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(wǎng)絡節(jié)點有：Berkeley Motes、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(wǎng)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(nèi)外研究機構紛紛開展無線傳感器網(wǎng)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(jié)歸納了無線傳感器網(wǎng)絡潛在的應用領域。
2 基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡的主要優(yōu)勢
無線傳感器網(wǎng)絡具有廣闊的應用前景，但是傳統(tǒng)的正弦載波通信由于其固有的組成以及一些無法克服的缺陷無法滿足傳感器節(jié)點低成本、低功耗、低設計復雜度、抗干擾等方面的要求。超寬帶脈沖無線電技術是近年來發(fā)展迅猛，備受工業(yè)界和學術界關注的新型通信技術，具備了許多正弦載波通信技術無法比擬的優(yōu)勢，能夠為無線傳感器網(wǎng)絡提供高效合理的通信傳輸手段。
2.1 收發(fā)信機和硬件電路成本、功耗、設計復雜度低
超寬帶通信技術是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無線傳輸技術，采用極窄脈沖或極寬的頻譜傳送信息。整個收發(fā)信機不含有傳統(tǒng)的中頻和射頻電路，設計代價簡單，成本和功耗也遠遠低于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng)。所以，基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡可以很好的解決傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡中關于體積、成本和功耗的難題，特別適合于微小傳感器節(jié)點的設計要求。另外，超寬帶無線通信技術在短距離的高數(shù)據(jù)傳輸能力，也為一些網(wǎng)關節(jié)點傳輸大量數(shù)據(jù)和提供實時多媒體業(yè)務提供了便利。超寬帶(UWB)和其他一些傳統(tǒng)低功耗無線通信模塊(如藍牙、Zigbee、TR系列等)相比，傳輸每比特信息UWB的功耗遠遠低于其他無線通信技術[2]。
2.2 空間傳輸容量大
在節(jié)點密度高的無線傳感器網(wǎng)絡中，通信技術的空間傳輸容量是一個非常重要的因素。就單位面積的傳輸容量而言，超寬帶技術遠遠高于其他短距離無線通信。因此，以超寬帶技術作為通信傳輸手段，更加適合于節(jié)點密集的無線傳感器網(wǎng)絡。
2.3 多徑分辨能力強
由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。
大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10～30 dB的多徑環(huán)境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不過5 dB。對多徑的高分辨能力，不僅使基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡適合于復雜惡劣的多徑環(huán)境，也節(jié)省了傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰繐p耗。
2.4 抗干擾能力強，安全性高
超寬帶無線通信技術由于脈沖的低占空比和多個脈沖傳送一個比特信息，帶來了較高的處理增益，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力，適合于電磁環(huán)境惡劣的情況下的信息傳輸。另外，由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，UWB信號相當于白噪聲信號，信號的功率譜密度甚至低于自然的環(huán)境噪聲電平，被截獲和檢測的概率很低。采用編碼對脈沖參數(shù)進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。這個顯著優(yōu)勢也為軍事無線傳感器網(wǎng)絡提供了良好的保密性能。UWB技術的低功率譜密度和高處理增益特性，也保證了它具備良好的同頻帶共存能力，可以很好的解決無線傳感器網(wǎng)絡在復雜環(huán)境下的電磁兼容問題。
2.5 測距定位精度高
節(jié)點的準確定位是無線傳感器網(wǎng)絡應用的重要條件。獲得節(jié)點位置的一個直接想法是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)來實現(xiàn)，但是在無線傳感器網(wǎng)絡中使用GPS來獲得所有節(jié)點的位置受到價格、體積、功耗等因素限制，存在著一些困難，另外GPS也很難應用于室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡。超寬帶無線電中脈沖寬度為納秒級(甚至亞納秒級)，占用的帶寬在1 GHz以上，具備厘米級的相對定位能力。國外一些公司為軍方開發(fā)基于超寬帶技術的通信/定位系統(tǒng)，IEEE 802.15.4a工作組也正在進行低速無線個域網(wǎng)物理層的標準化工作，主要研究能在極低功率消耗情況下同時提供通信和高精度測距/定位能力的解決方案，UWB技術正是其主要的備選方案。
綜上所述，基于UWB技術的無線傳感器網(wǎng)絡在諸多方面具備得天獨厚的優(yōu)勢，將成為下一代無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱點和發(fā)展方向。
3 超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術
研究基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡時，除了無線傳感器網(wǎng)絡的通用關鍵技術，還需要關注下面一些熱點問題：適用于無線傳感器網(wǎng)絡的UWB無線傳輸技術，與UWB相結(jié)合考慮的無線傳感器MAC協(xié)議，利用定位信息的路由技術，高精度測距定位方法，跨層設計方法等。
3.1超寬帶傳輸技術
考慮到無線傳感器網(wǎng)絡的應用環(huán)境，低功耗低成本是設計無線傳感器網(wǎng)絡的重要問題。所以，要結(jié)合無線傳感網(wǎng)的要求，設計合適的UWB傳輸技術，重點研究簡單、低功耗的調(diào)制解調(diào)技術，低成本、小體積的收發(fā)信機，結(jié)構合理的通信/定位一體化設計。綜合以上因素，非相干方式的UWB無線傳輸技術可以成為一個很好的備選方案。
3.2 媒體訪問控制協(xié)議
無線傳感網(wǎng)研究的核心問題之一就是功耗管理。射頻模塊是節(jié)點中最大的耗能模塊，是優(yōu)化的主要目標。媒體訪問控制(MAC)協(xié)議直接控制射頻模塊，對節(jié)點功耗有很大的影響。傳感器節(jié)點的無效功耗主要來自：空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串擾(接收和處理發(fā)往其他節(jié)點的數(shù)據(jù))、控制報文開銷等。MAC協(xié)議在降低功耗方面主要采用的方法有減少數(shù)據(jù)流量，增加射頻模塊休眠時間和沖突避免等等。
Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、Berkley-MAC和Data-gathering MAC是目前無線傳感網(wǎng)比較有代表性的MAC協(xié)議。另外，低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)率的無線互聯(lián)標準IEEE 802.15.4也對MAC協(xié)議做了詳細的規(guī)范。超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡可以從UWB基本的信道劃分方式入手，利用超寬帶無線電的多址方式(跳時多址等)，結(jié)合上述的現(xiàn)有MAC協(xié)議，并考慮UWB技術自身的定位功能，研究低功耗、分布式、各方面性能比較平衡的MAC協(xié)議。
3.3 路由協(xié)議
路由協(xié)議的任務是在傳感器節(jié)點和接收發(fā)送節(jié)點之間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。由于無線傳感網(wǎng)資源受限，因此路由協(xié)議的設計原則是算法簡單，不能在節(jié)點保存太多的狀態(tài)信息，節(jié)點間不能交換太多的路由信息。目前有代表性的路由協(xié)議包括Flooding/Gossiping協(xié)議、SPIN協(xié)議、定向擴散協(xié)議、LEACH協(xié)議和TEEN協(xié)議等?？梢越Y(jié)合UWB技術的精確定位能力，利用位置信息將數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)到目標區(qū)域，從而不必為了找到目標節(jié)點向全網(wǎng)廣播數(shù)據(jù)。另外，利用節(jié)點間的相對距離，可以為數(shù)據(jù)報選擇更節(jié)省能量的路徑。
3.4 高精度測距定位技術
根據(jù)定位機制，可將現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡自身定位算法分為兩類：Range-based和Range-free，即基于測距技術的定位算法和無需測距的定位算法。前者通過測量節(jié)點間點到點的距離或者角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計算節(jié)點位置；后者無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡連通性等信息實現(xiàn)。無需測距定位機制在成本、功耗等方面具有優(yōu)勢，但精度較低，主要算法包括質(zhì)心算法、凸規(guī)劃算法、DV-Hop、Amorphous、MDS-MAP和APIT算法等。UWB脈沖的寬度在1 ns以下，占用的帶寬在1 GHz以上，采用時間到達(TOA)方法測距，理論上可以達到厘米級的測距精度[3]。但在復雜多徑和非視距(NLOS)的影響下，UWB的測距和定位精度很難達到理論極限，選擇性能代價比高的定位機制和節(jié)省能耗的定位跟蹤算法是目前急需解決的問題。通過結(jié)合MAC和路由協(xié)議的設計，可實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡高精度的測距、定位和跟蹤。
3.5 協(xié)議棧優(yōu)化和跨層設計思路
在保證一定的系統(tǒng)通信性能(傳輸速率、延遲、丟包率等)的前提下，優(yōu)化的協(xié)議棧設計會直接支持網(wǎng)絡能量管理的優(yōu)化。無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧優(yōu)化必須針對不同應用環(huán)境，結(jié)合容錯性、抗干擾性和功耗等關鍵指標的要求進行全局跨層設計。在研究超寬帶無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構時，要根據(jù)實際的應用場合，考慮UWB無線電的特點，結(jié)合數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)融合、目標定位/跟蹤以及查詢和管理等具體要求，探索具有自組織、分布式和跨層優(yōu)化能力的超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡體系。
4 結(jié)束語
UWB技術和無線傳感器網(wǎng)絡是兩個新興的熱點研究課題，兩者可以形成天然的結(jié)合。基于UWB技術的無線傳感器網(wǎng)絡具備一些傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)無法比擬的優(yōu)勢，將成為下一代無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展方向，具備廣闊的應用前景。
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