摘要：無線傳感器網絡集成了傳感器、微機電系統和網絡通信三大技術，由于其巨大的應用前景而備受學術界和工業界的廣泛關注。
文章在介紹無線傳感器網絡基本概念、應用前景、網絡體系結構和一些代表性研究項目的基礎上，結合超寬帶無線傳輸技術的特點，闡述了超寬帶無線傳感器網絡的主要優勢，給出了物理層通信鏈路技術、介質訪問控制方法、網絡層路由協議以及測距定位技術等關鍵技術的研究思路。

關鍵詞：無線傳感器網絡；超寬帶；介質訪問控制；路由技術；定位

Abstract:A wireless sensor network integrates sensor, micro-elector-mechanism system and communication networks. More and more academic researchers and insiders are engaged in developing wireless sensor networks due to their bright future with various applications. In this paper, the basic concepts, the network protocol，some valuable applications and research projects are briefly introduced. Combining with the advantages of UWB technology, the hot spots including physical layer communication link, media access control schemes, network layer routing protocol, and the location methods are discussed in detail and several future research directions are put forward.

Key words:wireless sensor network; ultra-wideband; media access control; routing technology; location

基金項目：國家“863”計劃項目(2005AA123310)；中科院創新基金項目(CXJJ-127)

　無線傳感器網絡是當前國際上備受關注的由多學科交叉的新興前沿研究熱點領域。傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、無線網絡通信技術、分布式信息處理技術以及微機電技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶，從而實現“無處不在的計算”理念。2003年，美國《技術評論》雜志論述未來新興十大技術時，無線傳感器網絡被列為第一。美國《今日防務》雜志更認為無線傳感器網絡的應用和發展將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰爭的變革。可以預計，無線傳感器網絡的發展和廣泛應用，將對人們的社會生活和產業變革帶來極大的影響和產生巨大的推動。

　無線傳感器網絡節點的一個重要特征就是低功耗、低成本和小體積。傳統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絡的要求。超寬帶通信技術是一種非傳統的、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。相對于傳統的正弦載波通信系統，超寬帶無線通信系統具有高傳輸速率、高空間頻譜效率、高測距精度、低截獲概率、抗多徑干擾、與現有系統頻譜共享、低功耗、低成本、易于全數字化等諸多優點。這些優點使超寬帶無線傳輸技術和無線傳感器網絡形成天然的結合，使基于超寬帶技術的無線傳感器網絡的研究和開發得到越來越多的關注。

1 無線傳感器網絡

　無線傳感器網絡是一種特殊的自組織(Ad-hoc)網絡，可應用于布線和電源供給困難的區域、人員不能到達的區域(如受到污染、環境不能被破壞或敵對區域)和一些臨時場合(如發生自然災害時，固定通信網絡被破壞)。它不需要固定網絡支持，具有快速展開，抗毀性強等特點，可廣泛應用于軍事、工業、交通、環保等領域。

　無線傳感器網絡的典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感器節點拋撒到感興趣區域，節點通過自組織快速形成一個無線網絡。節點既是信息的采集和發出者，也充當信息的路由者，采集的數據通過多跳路由到達網關。網關(一些文獻稱其為Sink Node)是一個特殊的節點，可以通過Internet、移動通信網絡、衛星等與監控中心通信，也可以利用無人機飛越網絡上空，通過網關采集數據。

1.1 網絡體系結構

　圖1給出了一個典型的無線傳感器網絡的系統結構，包括分布式傳感器節點(群)、接收發送器(Sink)、互聯網(或衛星等)和任務管理界面等[1]。其中，傳感器網絡節點結構如圖2所示，基本組成包括4個基本單元：傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)、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、定位系統等。

對于無線傳感器網絡來說，其網絡體系結構不同于傳統的計算機網絡和通信網絡。圖3給出了一種無線傳感器網絡的體系結構，由分層的網絡通信協議和傳感器網絡管理模塊組成。分層的網絡通信協議由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成；網絡管理模塊包括能量管理、拓撲管理、Qos控制、移動性管理和網絡安全等。



.2 網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的支持下，美國在90年代初便開展了無線傳感器網絡的研究和開發。其中，具有代表性的項目包括：1993?D1999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?D2001年間由DAPRA資助，UC Berkeley承擔的Smart Dust項目；1998?D2002年DARPA資助，加州大學伯克利分校等25個機構聯合承擔的SensIT計劃；1999?D2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。目前為止，已開發的無線傳感器網絡節點有：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，但大部分的節點都支持TinyOS操作系統。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、上海微系統所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。

　國內外研究機構紛紛開展無線傳感器網絡的研究，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總結歸納了無線傳感器網絡潛在的應用領域。



基于超寬帶技術的無線傳感器網絡的主要優勢

　無線傳感器網絡具有廣闊的應用前景，但是傳統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展迅猛，備受工業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勢，能夠為無線傳感器網絡提供高效合理的通信傳輸手段。

2.1 收發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。整個收發信機不含有傳統的中頻和射頻電路，設計代價簡單，成本和功耗也遠遠低于傳統的正弦載波通信系統。所以，基于超寬帶技術的無線傳感器網絡可以很好的解決傳統無線傳感器網絡中關于體積、成本和功耗的難題，特別適合于微小傳感器節點的設計要求。另外，超寬帶無線通信技術在短距離的高數據傳輸能力，也為一些網關節點傳輸大量數據和提供實時多媒體業務提供了便利。超寬帶(UWB)和其他一些傳統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

　在節點密度高的無線傳感器網絡中，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，更加適合于節點密集的無線傳感器網絡。

2.3 多徑分辨能力強

　由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續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射信號的能量。

　大量的實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～30 dB的多徑環境，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絡適合于復雜惡劣的多徑環境，也節省了傳感器網絡數據傳輸的能量損耗。

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，提高了通信系統的抗干擾能力，適合于電磁環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，對一般通信系統，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進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。這個顯著優勢也為軍事無線傳感器網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絡在復雜環境下的電磁兼容問題。

2.5 測距定位精度高

　節點的準確定位是無線傳感器網絡應用的重要條件。獲得節點位置的一個直接想法是使用全球定位系統(GPS)來實現，但是在無線傳感器網絡中使用GPS來獲得所有節點的位置受到價格、體積、功耗等因素限制，存在著一些困難，另外GPS也很難應用于室內無線傳感器網絡。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基于超寬帶技術的通信/定位系統，IEEE 802.15.4a工作組也正在進行低速無線個域網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絡在諸多方面具備得天獨厚的優勢，將成為下一代無線傳感器網絡的研究熱點和發展方向。

3 超寬帶無線傳感器網絡的關鍵技術

　研究基于超寬帶技術的無線傳感器網絡時，除了無線傳感器網絡的通用關鍵技術，還需要關注下面一些熱點問題：適用于無線傳感器網絡的UWB無線傳輸技術，與UWB相結合考慮的無線傳感器MAC協議，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絡的應用環境，低功耗低成本是設計無線傳感器網絡的重要問題。所以，要結合無線傳感網的要求，設計合適的UWB傳輸技術，重點研究簡單、低功耗的調制解調技術，低成本、小體積的收發信機，結構合理的通信/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 媒體訪問控制協議

　無線傳感網研究的核心問題之一就是功耗管理。射頻模塊是節點中最大的耗能模塊，是優化的主要目標。媒體訪問控制(MAC)協議直接控制射頻模塊，對節點功耗有很大的影響。傳感器節點的無效功耗主要來自：空閑偵聽、數據沖突、串擾(接收和處理發往其他節點的數據)、控制報文開銷等。MAC協議在降低功耗方面主要采用的方法有減少數據流量，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是目前無線傳感網比較有代表性的MAC協議。另外，低成本、低功耗、低數據率的無線互聯標準IEEE 802.15.4也對MAC協議做了詳細的規范。超寬帶無線傳感器網絡可以從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)，結合上述的現有MAC協議，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協議。

3.3 路由協議

　路由協議的任務是在傳感器節點和接收發送節點之間建立路由，可靠地傳遞數據。由于無線傳感網資源受限，因此路由協議的設計原則是算法簡單，不能在節點保存太多的狀態信息，節點間不能交換太多的路由信息。目前有代表性的路由協議包括Flooding/Gossiping協議、SPIN協議、定向擴散協議、LEACH協議和TEEN協議等。可以結合UWB技術的精確定位能力，利用位置信息將數據中轉到目標區域，從而不必為了找到目標節點向全網廣播數據。另外，利用節點間的相對距離，可以為數據報選擇更節省能量的路徑。

3.4 高精度測距定位技術

　根據定位機制，可將現有的無線傳感器網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點位置；后者無需距離和角度信息，僅根據網絡連通性等信息實現。無需測距定位機制在成本、功耗等方面具有優勢，但精度較低，主要算法包括質心算法、凸規劃算法、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省能耗的定位跟蹤算法是目前急需解決的問題。通過結合MAC和路由協議的設計，可實現無線傳感器網絡高精度的測距、定位和跟蹤。

3.5 協議棧優化和跨層設計思路

　在保證一定的系統通信性能(傳輸速率、延遲、丟包率等)的前提下，優化的協議棧設計會直接支持網絡能量管理的優化。無線傳感器網絡的協議棧優化必須針對不同應用環境，結合容錯性、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的體系結構時，要根據實際的應用場合，考慮UWB無線電的特點，結合數據收集、數據融合、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、分布式和跨層優化能力的超寬帶無線傳感器網絡體系。

4 結束語

　UWB技術和無線傳感器網絡是兩個新興的熱點研究課題，兩者可以形成天然的結合。基于UWB技術的無線傳感器網絡具備一些傳統無線傳感網無法比擬的優勢，將成為下一代無線傳感器網絡的發展方向，具備廣闊的應用前景。

5 參考文獻

[1] Akyildiz I F,Su Weilian, Sankarasubramaniam Y, et al. A Survey on Sensor Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(8):102?D105.
[2] Oppermann I,Stoica L, Rabbachin A, et al. UWB Wireless Sensor Networks: UWEN ?D a Practical Example [J]. IEEE Communications Magazine, 2004,42(12):27?D32.
[3] Woo Cheol Chung, Dong Sam Ha. An Accurate Ultra-Wideband (UWB) Ranging for Precision Asset Location [A]. Proceedings of the IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies [C]. Reston (VA, USA), 2003. Piscataway (NJ, USA): IEEE,2003.389?D393.


作者簡介：
吳微威，中國科學技術大學無線網絡通信實驗室在讀博士生，研究方向為UWB、無線傳感器網絡等。

王衛東，中國科學技術大學電子工程與信息科學系教授，研究方向為微波毫米波器件與電路、毫米波精確制導技術、射頻與微波通信、超寬帶無線通信等。

衛國，中國科學技術大學信息科學技術學院執行院長，教授、博士生導師，多媒體計算與通信教育部微軟重點實驗室主任，國家“863”計劃通信技術主題未來移動通信系統總體組成員。研究方向為無線通信、通信網絡和信號處理。