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      智能無線傳感器網絡的國內外研究狀況

      發布時間:2013-9-6??????發布人:澤天傳感??????點擊:

      1、軍事需求

      傳感器網絡作為一門新興的科學技術,正如當今世界人們利用互聯網可以獲得大量文字、圖像、聲音等數字信息,將數量巨大的傳感器組建成網絡可使探測感知技術延伸到更廣闊的領域。目前,傳感器在戰場發揮著越來越重要的作用,利用無線自組織的方式建立網絡監測系統在軍事應用上將是一項重大的技術革新。傳感器網絡的快速部署、自組織和容錯性等特征使得傳感器網絡在戰場信息獲取中起著非常重要的作用。因為傳感器網絡是由密集型、低成本、隨機分布的節點組成的,網絡的容錯能力使其不會因為某些節點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統的崩潰,這一點是傳統的傳感器技術所無法比擬的,也正是這一點,使傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰場環境中。比如監控我軍兵力,裝備和物資;戰場監視;偵察敵方兵力部署和地形;定位攻擊目標;評估損失;偵察和探測核、生物和化學攻擊等等。

      1)監控我軍兵力,裝備和物資。指揮官可以實時地監控我方部隊的狀況,在戰場上通過傳感器網絡監控我軍裝備和物資的狀態和可用性。在每個部隊、車輛、裝備和關鍵物資上安裝傳感器,這些傳感器可以報告相應的狀態。所有這些數據通過匯聚節點最終發送給終端的指揮官,最后融合來自各戰場的數據后再將數據發送到更高層的指揮官。

      2)戰場監控。對關鍵的區域、可通過的路線,可以快速地部署傳感器來嚴密監控這些軍事要地的各種情況。隨著監控方法的發展和新方案的提出,新型傳感器網絡可以隨時部署到軍事要地。

      3)偵查敵方兵力部署和地形。傳感器網絡可以部署在敵軍前線,以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防;也可以直接將傳感器節點撒向敵方陣地,在敵方還未來得及反應時迅速收集利于作戰的信息。

      4)目標定位。傳感器網絡可以嵌入導航系統,來提供精確的定位信息。

      5)偵察和探測核、生物和化學攻擊。在化學和生物戰中,在爆炸中心附近及時、準確地采集數據非常重要,傳感器網絡可以部署在我軍前沿來作為化學和生物攻擊的預警系統,這樣就可以為我軍提供寶貴的反應時間,大幅度降低人員傷亡。傳感器網絡也可以在核、生物和化學攻擊后提供精確的探測數據,我們可以部署傳感器網絡來探測數據從而避免核反應部隊探測數據時受到核輻射。

      2、國外研究背景

      無線傳感器網絡技術的研究可溯源于七十年代美國軍方的分組無線網,隨后IEEE在建立802.11標準時,將分組無線網改稱為無線Ad hoc網絡,意為“僅為特定目的、情況或場合的”。這類網絡的突出特性是具備自組織能力,屬于無基礎設施網。根據網絡中節點是否可移動無線Ad hoc網絡又可分為兩類:一類為移動Ad hoc網絡(Mobile Ad hoc NETwork,簡稱MANET),1997年IETF成立了MANET工作組,旨在對該類型網絡的路由算法進行研究和開發;另一類為無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,簡稱傳感器網,文中在后述中未作特殊說明處,傳感器網特指無線傳感器網絡),網絡拓撲結構固定或變化緩慢,此類網絡試圖通過在遠控區域布撒大量傳感器,然后由各傳感器節點自行協調來迅速組建通訊網,在能量利用率優先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監視區域信息。

      目前國外一些政府、院校和工業等部門針對不同應用需求的研究工作正在緊密開展,美國的很多大學都已開展傳感器網絡的研究:加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)用于低能無線傳感器網絡的研究和開發研制的傳感器系統、麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)致力于基于知識的信號處理技術、哈佛大學(Harvard University)研究傳感器網絡中通訊的理論基礎等。在其它國家和地區,如歐洲、日本、澳大利亞也開展了不少關于傳感器網絡的研究工作。

      國際主流研究項目有:

      1)Smart Dust(智能塵埃)Smart Dust項目是在美國DARPA贊助支持下,由U.C.Berkeley開展進行的微型傳感器網的研究計劃,已于2000年完成。它的主要目標是在盡可能小的封裝下完成一個傳感器和通信系統的設計與制造,其中包括小型化、一體化設計與能量管理等幾方面問題。值得一提是,由Smart Dust計劃所發展出的技術已進一步商業化。Intel公司負責投資的Crossbow Technology將Smart Dust技術商業化,并負責制造和推銷。

      2)NEST(Network Embedded System Technology)Nest項目是在Smart Dust研究基礎上,由U.C.Berkeley和Intel共同開展的一項研究計劃。NEST主要圍繞傳感器網的軟件/硬件開放試驗平臺進行了深入地研究與開發,并構建了一個演示范例GDI(Great Duck Island)監測系統。

      3)μAMPS(μ-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors) μAMPS計劃是麻省理工學院在DARPA、ARL、Texas Instruments公司、HP公司資助下,針對傳感器網進行的研究。從單個節點和整個系統兩方面考慮能量的利用效率,從智能化角度研究網絡的靈活性、使網絡實現自組織、重配置和自適應。

      4)WINS(Wireless Integrated Network Sensors) WINS計劃是美國DARPA、Army Research Laboratory(ARL)和Federated Laboratories program共同資助支持,加州大學洛杉磯分校(UCLA)電子工程系和Rockwell Science Center合作負責進行的一項傳感器組網研究計劃。WINS的研究重點是實現技術、包括微功率CMOS VCO和混頻器電路、低功率信號處理電路、衛星紅外、聲學傳感器制造技術等。

      5)SCADDS(Scalable Coordination Architectures for Deeply Distributed Systems)  SCADDS是由美國DARPA傳感器信息技術計劃支持的項目,主要研究定向擴散、自適應保真、定位、時間同步、自我配置、傳感器Mac協議。目前國內外出現的一些網絡節點設計,實現原理上基本上是相似的,只是分別采用了不同的微處理器或者不同的通信或協議方式,比如采用自定義協議、802.11協議、ZigBee協議、藍牙協議以及U-WB(超寬帶)通信方式等。另外,模擬仿真成為傳感器網絡性能評價的一項重要手段,高效準確的仿真工具對推動網絡技術的發展作用很大,目前存在多種成熟的網絡仿真平臺,如NS-2,OMNeT++,OPNET,GloMoSim和QualNet,但是由于無線傳感器網絡自身的特殊性,這些仿真平臺都具有某些使用的局限性,因此許多學者都投入大量精力在上述幾種平臺基礎上進一步研究開發更適用于傳感器網絡的仿真工具。

      3、國內研究現狀

      國內的已經出現部分科研單位和大學開展了傳感器網絡方面的研究工作,如清華大學計算機與科學系、解放軍理工大學信息通信工程學院、西南交通大學計算機與通信工程學院、電子科技大學、哈爾濱工業大學等??傮w上來說,關于傳感器網絡的研究還處于剛剛起步的階段,大部分工作仍處在針對網絡協議的設計仿真和實驗階段,仿真規模在數百至數千節點,實驗規模在幾十個節點左右。

      4、主要差距

      1、當前節點數量設計在30個以內,當網絡規模擴充后(例如上百個乃至上萬個節點),通過現行設計的路由探測協議,會隨著網絡容量的增加網絡探測時延加長,對時間要求不高的系統可以接受,但網絡的動態拓撲與調整則出現明顯滯后。

      2、傳感器網絡實驗系統中節點的跳躍階數最大為3,根據網絡規??蛇M一步進行擴充,需要考慮的問題是網絡拓撲采取的是鏈式連接,即當中間節點失效時有可能導致各跳鏈路失效,表明這種網絡拓撲易于實現,但不夠健壯,只適合小規模網絡使用,因此協議研究將是大規模網絡實現的一個側重點。本文源自澤天傳感,,轉載請注明出處。

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