无线传感器网络研究与应用分析

1、无线传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量低复杂度的传感器节点通过自组织方式形成的无线网络，每个网络节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成，完成数据采集、数据收发、数据转发三项基本功能。根据OSI的标准网络体系结构，传感器网络的协议栈如图1所示[1]。



图1 传感器网络协议栈
协议栈中的物理层和数据链路层中的MAC层构成了传感器网络的硬件结构。物理层包括编码调制技术、通信速率、通信功耗和通信频段等问题，MAC层主要解决多节点通信冲突时信道资源的分配问题；二者目前均有多种技术可供选择。传感器网络节点自身的特点使其在实际应用中存在着能量供给时间限制与通信作用距离限制。为拓展网络覆盖区域，传感器网络采用多跳路由的传输机制。由于通信距离的延长一般伴随着能耗的增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。
低功耗、低成本、低复杂度和短距离是物理层标准的主要选择指标，近年来，IEEE 802.15正考虑将超宽带通信技术作为无线传感器网络的物理层标准。IEEE 802.15系列标准由IEEE协会的无线个人区域网络（Wireless Personal Area Network，WPAN）工作组主导制定。该系统标准主要应用于小范围的无线网络。
2、超宽带无线技术（Ultra Wide Band，UWB）
超宽带无线技术是一种短距离、使用1GHz以上带宽且信号功率谱密度低的最先进的无线通信技术。该技术最初由美国国防部1989年提出，2002年4月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了UWB设备的初步规范。目前UWB技术在短距离无线通信中逐渐得到越来越多的应用。
超宽带定义的范畴包括任何使用超宽频谱的系统。任何无线电系统，只要它满足下面的条件之一就称为超宽带系统：



（1）、（2）两式中，fH和fL分别是传输带宽的高端频率和低端频率。
超宽带无线通信具有以下特点：
（1）高传输速率。因为系统的频带很宽，根据香农信道公式，在低信噪比的情况下，系统也可以在短距离上实现几百兆比特每秒至1Gbit/s的传输速率。
（2）高定位精度。因为采用持续时间极短的窄脉冲，时间、空间分辨能力都很强，所以UWB信号的多径分辨率极高。超宽带无线电通信可以将定位与通信合一，与GPS提供绝对地理位置不同，基带窄脉冲形式的信号可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。
（3）共享频谱。因为信号被扩展到很宽的频谱上，所以系统发射的功率谱密度非常低，对于其他系统来说类似于背景噪音，因此可以与其他窄带信号共享频谱。
（4）穿透力强。因为基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以可顺利地穿过土地、混凝土、水体等介质进行探测。
3、超宽带应用于无线网络的标准化进程
在标准制定上，IEEE 802.15.3标准组是采用UWB做为无线通信物理层标准的主要推动者。联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）推出超宽带后，IEEE 802.15.3标准组织于2003年和2004年先后成立了802.15.3a和802.15.4a两个任务组。前者用于拟定高速率通信标准，后者致力于拟定低速率通信标准。
IEEE 802.15.3a任务组集中了UWB论坛和Wi-Media联盟两大阵营所各自倡导的标准：DS-UWB和MB-OFDM。主导DS-UWB的是Freescale，主导MB-OFDM的是Intel、Kodak、Microsoft、HP和TI等。DS-UWB提案采用扩频技术，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为28Mbit/s～1Gbit/s，高波段的通信速率为2Gbit/s。MB-OFDM提案采用OFDM技术，将UWB的频谱划分为14个波段，每个528MHz带宽，它支持53～480Mbit/s的通信速率。为赢得未来的市场，UWB论坛和WiMedia联盟致力于在全世界推广各自所支持的技术标准。由于经过多次投票表决，无法统一标准。在2006年1月份召开的IEEE 802会议上，802.15.3a经过投票，解散了任务组，这使得UWB在IEEE的标准化进程被终止；也使得目前存在着两种不同的标准在全球市场进行竞争。802.15.4a任务组的工作则比较顺利，一种基于扩频的低速率UWB方案正在被草拟入标准之中，经过2006年一年的准备，正式标准预计将于2007年发布。低速率UWB方案的任务要求包括10cm范围内的定位精度，30m的通信距离和不低于1Mbit/s的传输速率。致力于推进IEEE 802.15.4a低速率个人局域网技术标准的组织是ZigBee联盟。
4、基于超宽带的无线传感器网络主要研究问题
目前超宽带技术在无线传感器网络方面的研究主要集中在空间物理层接口设计、网络节点定位设计和解决信道资源分配问题的MAC层算法设计等方面。
4.1物理层设计
物理层的设计目标是在各种应用场景中提供可靠通信，以有效的方式减轻移动通信中的多径干扰，提供满足系统实时性要求的点对点高速率视频通信和音频信号传输，解决由于传感器网络中的多跳传输造成的网络吞吐量降低的问题。
文献[2]提出了一种作用距离为100m，通信带宽为1GHz，载波频率为6GHz，支持10 Mbit/s和40 Mbit/s 两种码速率的基于UWB的物理层方案。该方案采用16bit Walsh-Hadamard序列直接扩频；采用多载波通信（MDM）减轻多径干扰，即数据符号首先分组，然后映射到一套具有扩展了符号发送时间的正交序列上，这样，码间干扰（ISI）可以由于序列的正交性得到消除；为消除来自节点本身的发送自干扰和所接收到的来自其他节点的信号干扰的问题，在MAC层采用了具有正交特性的码分体制；制定了三种通信模式，通过导频符号对信道进行检测估计和实现自适应调制。文献[3]提出了一种将UWB做为物理层，采用PPM作为解调方式的WSN的接收器设计方案；文献[4]在将UWB纳入物理层标准的基础上，以提高能量利用效率为目标，提出了一种跨网络层次的传感器网络体系结构方案。
4.2定位设计
在目标检测、目标跟踪、目标搜索、制导、路由等应用场景中，无线传感器网络要求传感器节点能够确定它们的物理位置。为了解决这一问题，近年来研究机构提出了许多定位方案。总的来说，这些方案共同点是认为首先应通过GPS或者人工初始配置的方式确定网络中少数节点的地理位置；不同点是有的直接通过点对点的距离和角度定位，有的通过与邻近节点的关系定位。相比较而言，前一类方法可以提供精确的定位，但由于需要执行精确的距离与角度测量故对硬件有很高的要求；第二类方法定位精度低，但对硬件的要求也较低。
目前的方案大多数针对条件良好的应用场景设计。如果在战场环境中，敌人有可能利用这些定位方案的缺点进行攻击，从而破坏整个网络系统的性能。比如冒充被测节点、发送虚假应答信号、截获来自被测节点的真实应答信号等。文献[5]对现有的定位机制进行改进，通过在整个通信覆盖区域添加空间可移动的传感器节点提高了传感器网络定位的安全性，形成了基于UWB传感器网络的移动辅助的安全定位机制。与传统的定位方法所不同是这种移动辅助的算法不需要每个传感器节点准确地测量与簇头的距离并进行最小均方估计（MMSE）只需对移动的节点信号进行应答，将距离测量和定位计算等任务被转交给移动节点完成。文献[6]建议采用UWB的传感器网络采用多天线收发进行定位以进一步提高精确度；文献[7]在利用UWB进行定位的基础上，建议针对不同链接情况采用不同的调制技术；文献[8]利用UWB的精确定位功能进行静态传感器网络拓扑结构的确定，在此基础上根据能量最省的原则推导了能量消耗与路由选择之间的关系。
4.3MAC层设计
文献[9]列举了一个已经应用于体育运动的设计方案，通过案例说明了将UWB应用于传感器网络的可能性以及由此带来的效益。在设计方案中，传感器节点被设计为移动节点和固定节点两种，移动节点主要利用UWB的定位精度向固定节点实时发送坐标信息，而固定节点则用于信息的收集、融合以及与后端服务器的通信。UWB的低能量消耗的特点可以有效节约移动节点的有限能源从而延长其工作寿命。为解决多节点同时访问同一目的节点而引发的共享信道的问题，该方案在MAC问题中采取了分时调用的方式。文献[10]分析了MAC问题产生的原因，介绍Aloha和CSMA（Carrier Sense Multiple Access）两种主要的MAC协议并指出为了适用于多跳传输应当在具体应用中对这两种协议进行修改。以Aloha为例分析了网络覆盖面积与总吞吐量之间的关系，提出对网络的整体性能采用总吞吐量作为指标进行衡量，对单个链接的性能采用传输损耗概率进行衡量；分析了衡量MAC问题的指标与UWB作用下的网络半径的之间关系。通过分析指出即使增加网络节点间通信的跳数，小的覆盖半径依然可以减少多路访问问题造成的干扰。
5、结束语
超宽带技术凭借带宽、功耗、定位精度等方面的优势成为无线通信领域一个非常有前景的技术。由于满足了无线传感器网络低功耗、低成本、结构简单、高定位精度等要求，超宽带技术将会成为无线传感器网络物理层最理想的通信协议之一并将为无线传感器网络的应用提供新的发展机遇。