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智能无线传感器网络的国内外研究状况

发布时间:2013-9-6      发布人:泽天传感      点击:

1、军事需求

传感器网络作为一门新兴的科学技术,正如当今世界人们利用互联网可以获得大量文字、图像、声音等数字信息,将数量巨大的传感器组建成网络可使探测感知技术延伸到更广阔的领域。目前,传感器在战场发挥着越来越重要的作用,利用无线自组织的方式建立网络监测系统在军事应用上将是一项重大的技术革新。传感器网络的快速部署、自组织和容错性等特征使得传感器网络在战场信息获取中起着非常重要的作用。因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的,网络的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,这一点是传统的传感器技术所无法比拟的,也正是这一点,使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中。比如监控我军兵力,装备和物资;战场监视;侦察敌方兵力部署和地形;定位攻击目标;评估损失;侦察和探测核、生物和化学攻击等等。

1)监控我军兵力,装备和物资。指挥官可以实时地监控我方部队的状况,在战场上通过传感器网络监控我军装备和物资的状态和可用性。在每个部队、车辆、装备和关键物资上安装传感器,这些传感器可以报告相应的状态。所有这些数据通过汇聚节点最终发送给终端的指挥官,最后融合来自各战场的数据后再将数据发送到更高层的指挥官。

2)战场监控。对关键的区域、可通过的路线,可以快速地部署传感器来严密监控这些军事要地的各种情况。随着监控方法的发展和新方案的提出,新型传感器网络可以随时部署到军事要地。

3)侦查敌方兵力部署和地形。传感器网络可以部署在敌军前线,以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防;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。

4)目标定位。传感器网络可以嵌入导航系统,来提供精确的定位信息。

5)侦察和探测核、生物和化学攻击。在化学和生物战中,在爆炸中心附近及时、准确地采集数据非常重要,传感器网络可以部署在我军前沿来作为化学和生物攻击的预警系统,这样就可以为我军提供宝贵的反应时间,大幅度降低人员伤亡。传感器网络也可以在核、生物和化学攻击后提供精确的探测数据,我们可以部署传感器网络来探测数据从而避免核反应部队探测数据时受到核辐射。

2、国外研究背景

无线传感器网络技术的研究可溯源于七十年代美国军方的分组无线网,随后IEEE在建立802.11标准时,将分组无线网改称为无线Ad hoc网络,意为“仅为特定目的、情况或场合的”。这类网络的突出特性是具备自组织能力,属于无基础设施网。根据网络中节点是否可移动无线Ad hoc网络又可分为两类:一类为移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc NETwork,简称MANET),1997年IETF成立了MANET工作组,旨在对该类型网络的路由算法进行研究和开发;另一类为无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称传感器网,文中在后述中未作特殊说明处,传感器网特指无线传感器网络),网络拓扑结构固定或变化缓慢,此类网络试图通过在远控区域布撒大量传感器,然后由各传感器节点自行协调来迅速组建通讯网,在能量利用率优先考虑原则下进行工作任务划分以获取监视区域信息。

目前国外一些政府、院校和工业等部门针对不同应用需求的研究工作正在紧密开展,美国的很多大学都已开展传感器网络的研究:加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)用于低能无线传感器网络的研究和开发研制的传感器系统、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)致力于基于知识的信号处理技术、哈佛大学(Harvard University)研究传感器网络中通讯的理论基础等。在其它国家和地区,如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器网络的研究工作。

国际主流研究项目有:

1)Smart Dust(智能尘埃)Smart Dust项目是在美国DARPA赞助支持下,由U.C.Berkeley开展进行的微型传感器网的研究计划,已于2000年完成。它的主要目标是在尽可能小的封装下完成一个传感器和通信系统的设计与制造,其中包括小型化、一体化设计与能量管理等几方面问题。值得一提是,由Smart Dust计划所发展出的技术已进一步商业化。Intel公司负责投资的Crossbow Technology将Smart Dust技术商业化,并负责制造和推销。

2)NEST(Network Embedded System Technology)Nest项目是在Smart Dust研究基础上,由U.C.Berkeley和Intel共同开展的一项研究计划。NEST主要围绕传感器网的软件/硬件开放试验平台进行了深入地研究与开发,并构建了一个演示范例GDI(Great Duck Island)监测系统。

3)μAMPS(μ-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors) μAMPS计划是麻省理工学院在DARPA、ARL、Texas Instruments公司、HP公司资助下,针对传感器网进行的研究。从单个节点和整个系统两方面考虑能量的利用效率,从智能化角度研究网络的灵活性、使网络实现自组织、重配置和自适应。

4)WINS(Wireless Integrated Network Sensors) WINS计划是美国DARPA、Army Research Laboratory(ARL)和Federated Laboratories program共同资助支持,加州大学洛杉矶分校(UCLA)电子工程系和Rockwell Science Center合作负责进行的一项传感器组网研究计划。WINS的研究重点是实现技术、包括微功率CMOS VCO和混频器电路、低功率信号处理电路、卫星红外、声学传感器制造技术等。

5)SCADDS(Scalable Coordination Architectures for Deeply Distributed Systems)  SCADDS是由美国DARPA传感器信息技术计划支持的项目,主要研究定向扩散、自适应保真、定位、时间同步、自我配置、传感器Mac协议。目前国内外出现的一些网络节点设计,实现原理上基本上是相似的,只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式,比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及U-WB(超宽带)通信方式等。另外,模拟仿真成为传感器网络性能评价的一项重要手段,高效准确的仿真工具对推动网络技术的发展作用很大,目前存在多种成熟的网络仿真平台,如NS-2,OMNeT++,OPNET,GloMoSim和QualNet,但是由于无线传感器网络自身的特殊性,这些仿真平台都具有某些使用的局限性,因此许多学者都投入大量精力在上述几种平台基础上进一步研究开发更适用于传感器网络的仿真工具。

3、国内研究现状

国内的已经出现部分科研单位和大学开展了传感器网络方面的研究工作,如清华大学计算机与科学系、解放军理工大学信息通信工程学院、西南交通大学计算机与通信工程学院、电子科技大学、哈尔滨工业大学等。总体上来说,关于传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段,大部分工作仍处在针对网络协议的设计仿真和实验阶段,仿真规模在数百至数千节点,实验规模在几十个节点左右。

4、主要差距

1、当前节点数量设计在30个以内,当网络规模扩充后(例如上百个乃至上万个节点),通过现行设计的路由探测协议,会随着网络容量的增加网络探测时延加长,对时间要求不高的系统可以接受,但网络的动态拓扑与调整则出现明显滞后。

2、传感器网络实验系统中节点的跳跃阶数最大为3,根据网络规模可进一步进行扩充,需要考虑的问题是网络拓扑采取的是链式连接,即当中间节点失效时有可能导致各跳链路失效,表明这种网络拓扑易于实现,但不够健壮,只适合小规模网络使用,因此协议研究将是大规模网络实现的一个侧重点。本文源自泽天传感,,转载请注明出处。