1、軍事需求

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門新興的科學技術(shù)，正如當今世界人們利用互聯(lián)網(wǎng)可以獲得大量文字、圖像、聲音等數(shù)字信息，將數(shù)量巨大的傳感器組建成網(wǎng)絡(luò)可使探測感知技術(shù)延伸到更廣闊的領(lǐng)域。目前，傳感器在戰(zhàn)場發(fā)揮著越來越重要的作用，利用無線自組織的方式建立網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)在軍事應(yīng)用上將是一項重大的技術(shù)革新。傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速部署、自組織和容錯性等特征使得傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場信息獲取中起著非常重要的作用。因為傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，網(wǎng)絡(luò)的容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰，這一點是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一點，使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中。比如監(jiān)控我軍兵力，裝備和物資；戰(zhàn)場監(jiān)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(jiān)控我軍兵力，裝備和物資。指揮官可以實時地監(jiān)控我方部隊的狀況，在戰(zhàn)場上通過傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控我軍裝備和物資的狀態(tài)和可用性。在每個部隊、車輛、裝備和關(guān)鍵物資上安裝傳感器，這些傳感器可以報告相應(yīng)的狀態(tài)。所有這些數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點最終發(fā)送給終端的指揮官，最后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到更高層的指揮官。

2）戰(zhàn)場監(jiān)控。對關(guān)鍵的區(qū)域、可通過的路線，可以快速地部署傳感器來嚴密監(jiān)控這些軍事要地的各種情況。隨著監(jiān)控方法的發(fā)展和新方案的提出，新型傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(jié)點撒向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。

4）目標定位。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以嵌入導航系統(tǒng)，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(zhàn)中，在爆炸中心附近及時、準確地采集數(shù)據(jù)非常重要，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以部署在我軍前沿來作為化學和生物攻擊的預警系統(tǒng)，這樣就可以為我軍提供寶貴的反應(yīng)時間，大幅度降低人員傷亡。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以在核、生物和化學攻擊后提供精確的探測數(shù)據(jù)，我們可以部署傳感器網(wǎng)絡(luò)來探測數(shù)據(jù)從而避免核反應(yīng)部隊探測數(shù)據(jù)時受到核輻射。

2、國外研究背景

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

目前國外一些政府、院校和工業(yè)等部門針對不同應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)研制的傳感器系統(tǒng)、麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）致力于基于知識的信號處理技術(shù)、哈佛大學（Harvard University）研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中通訊的理論基礎(chǔ)等。在其它國家和地區(qū)，如歐洲、日本、澳大利亞也開展了不少關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(tǒng)的設(shè)計與制造，其中包括小型化、一體化設(shè)計與能量管理等幾方面問題。值得一提是，由Smart Dust計劃所發(fā)展出的技術(shù)已進一步商業(yè)化。Intel公司負責投資的Crossbow Technology將Smart Dust技術(shù)商業(yè)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(chǔ)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(wǎng)的軟件/硬件開放試驗平臺進行了深入地研究與開發(fā)，并構(gòu)建了一個演示范例GDI(Great Duck Island)監(jiān)測系統(tǒng)。

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(wǎng)進行的研究。從單個節(jié)點和整個系統(tǒng)兩方面考慮能量的利用效率，從智能化角度研究網(wǎng)絡(luò)的靈活性、使網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自組織、重配置和自適應(yīng)。

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(wǎng)研究計劃。WINS的研究重點是實現(xiàn)技術(shù)、包括微功率CMOS VCO和混頻器電路、低功率信號處理電路、衛(wèi)星紅外、聲學傳感器制造技術(shù)等。

5）SCADDS(Scalable Coordination Architectures for Deeply Distributed Systems)  SCADDS是由美國DARPA傳感器信息技術(shù)計劃支持的項目，主要研究定向擴散、自適應(yīng)保真、定位、時間同步、自我配置、傳感器Mac協(xié)議。目前國內(nèi)外出現(xiàn)的一些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計，實現(xiàn)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(xié)議方式，比如采用自定義協(xié)議、802.11協(xié)議、ZigBee協(xié)議、藍牙協(xié)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(wǎng)絡(luò)性能評價的一項重要手段，高效準確的仿真工具對推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展作用很大，目前存在多種成熟的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，如NS-2，OMNeT++，OPNET，GloMoSim和QualNet，但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上進一步研究開發(fā)更適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真工具。

3、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的已經(jīng)出現(xiàn)部分科研單位和大學開展了傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yè)大學等?？傮w上來說，關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于剛剛起步的階段，大部分工作仍處在針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計仿真和實驗階段，仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千節(jié)點，實驗規(guī)模在幾十個節(jié)點左右。

4、主要差距

1、當前節(jié)點數(shù)量設(shè)計在30個以內(nèi)，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴充后（例如上百個乃至上萬個節(jié)點），通過現(xiàn)行設(shè)計的路由探測協(xié)議，會隨著網(wǎng)絡(luò)容量的增加網(wǎng)絡(luò)探測時延加長，對時間要求不高的系統(tǒng)可以接受，但網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓撲與調(diào)整則出現(xiàn)明顯滯后。

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)中節(jié)點的跳躍階數(shù)最大為3，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可進一步進行擴充，需要考慮的問題是網(wǎng)絡(luò)拓撲采取的是鏈式連接，即當中間節(jié)點失效時有可能導致各跳鏈路失效，表明這種網(wǎng)絡(luò)拓撲易于實現(xiàn)，但不夠健壯，只適合小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)使用，因此協(xié)議研究將是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的一個側(cè)重點。本文源自澤天傳感，，轉(zhuǎn)載請注明出處。