基于超宽带技术的无线传感器网络

要害词：无线传感器网络；超宽带；介质访问控制；路由技术；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

基金项目：国家“863”计划项目(2005AA123310)；中科院创新基金项目(CXJJ-127)

    无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现“无处不在的计算”理念。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

    无线传感器网络节点的一个重要特征就是低功耗、低成本和小体积。传统的正弦载波无线传输技术由于存在中频、射频等电路和一些固有组件的限制难以达到无线传感器网络的要求。超宽带通信技术是一种非传统的、新奇的无线传输技术，它通常采用极窄脉冲(脉宽在纳秒至皮秒量级)或极宽的频谱(相对带宽大于20%或绝对带宽大于500 MHz)传送信息。相对于传统的正弦载波通信系统，超宽带无线通信系统具有高传输速率、高空间频谱效率、高测距精度、低截获概率、抗多径干扰、与现有系统频谱共享、低功耗、低成本、易于全数字化等诸多优点。这些优点使超宽带无线传输技术和无线传感器网络形成天然的结合，使基于超宽带技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。

1 无线传感器网络
    无线传感器网络是一种非凡的自组织(Ad-hoc)网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾难时，固定通信网络被破坏)。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。

    无线传感器网络的典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点抛撒到感爱好区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(一些文献称其为Sink Node)是一个非凡的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信，也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。

1.1  网络体系结构
    图1给出了一个典型的无线传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点(群)、接收发送器(Sink)、互联网(或卫星等)和任务治理界面等[1]。其中，传感器网络节点结构如图2所示，基本组成包括4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器和嵌入式操作系统等)、无线通信单元以及电源。另外，可以选择的其他功能单元有：电源自供电系统、定位系统等。

    对于无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。图3给出了一种无线传感器网络的体系结构，由分层的网络通信协议和传感器网络治理模块组成。分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成；网络治理模块包括能量治理、拓扑治理、Qos控制、移动性治理和网络安全等。

1.2  网络研究进展和应用前景
    在美国军方、美国国家自然科学基金和一些跨国企业的支持下，美国在90年代初便开展了无线传感器网络的研究和开发。其中，具有代表性的项目包括：1993—1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999—2001年间由DAPRA资助，UC Berkeley承担的Smart Dust项目；1998—2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；1999—2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。目前为止，已开发的无线传感器网络节点有：Berkeley Motes、Berkeley Piconodes、Sensoria WINS、MIT uAMPs、Smart Mesh Dust Mote、Intel iMote以及Intel Xscale Nodes等。不同的节点设计针对不同的应用场合，硬件大小、功耗、设计代价也不尽相同，但大部分的节点都支持TinyOS操作系统。近年来，在中国国家自然科学基金、国家“863”计划基金的支持下，中国的一些研究机构也开始开展无线传感器网络领域的研究，包括中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。

    国内外研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，完全归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。表1总结归纳了无线传感器网络潜在的应用领域。

2 基于超宽带技术的无线传感器网络的主要优势
    无线传感器网络具有广阔的应用前景，但是传统的正弦载波通信由于其固有的组成以及一些无法克服的缺陷无法满足传感器节点低成本、低功耗、低设计复杂度、抗干扰等方面的要求。超宽带脉冲无线电技术是近年来发展迅猛，备受工业界和学术界关注的新型通信技术，具备了许多正弦载波通信技术无法比拟的优势，能够为无线传感器网络提供高效合理的通信传输手段。

2.1 收发信机和硬件电路成本、功耗、设计复杂度低
    超宽带通信技术是一种非传统的、新奇的无线传输技术，采用极窄脉冲或极宽的频谱传送信息。整个收发信机不含有传统的中频和射频电路，设计代价简单，成本和功耗也远远低于传统的正弦载波通信系统。所以，基于超宽带技术的无线传感器网络可以很好的解决传统无线传感器网络中关于体积、成本和功耗的难题，非凡适合于微小传感器节点的设计要求。另外，超宽带无线通信技术在短距离的高数据传输能力，也为一些网关节点传输大量数据和提供实时多媒体业务提供了便利。超宽带(UWB)和其他一些传统低功耗无线通信模块(如蓝牙、Zigbee、TR系列等)相比，传输每比特信息UWB的功耗远远低于其他无线通信技术[2]。

2.2  空间传输容量大
    在节点密度高的无线传感器网络中，通信技术的空间传输容量是一个非常重要的因素。就单位面积的传输容量而言，超宽带技术远远高于其他短距离无线通信。因此，以超宽带技术作为通信传输手段，更加适合于节点密集的无线传感器网络。

2.3  多径分辨能力强
    由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很轻易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。

    大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30 dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不过5 dB。对多径的高分辨能力，不仅使基于超宽带技术的无线传感器网络适合于复杂恶劣的多径环境，也节省了传感器网络数据传输的能量损耗。

2.4  抗干扰能力强，安全性高
    超宽带无线通信技术由于脉冲的低占空比和多个脉冲传送一个比特信息，带来了较高的处理增益，提高了通信系统的抗干扰能力，适合于电磁环境恶劣的情况下的信息传输。另外，由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，信号的功率谱密度甚至低于自然的环境噪声电平，被截获和检测的概率很低。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。这个显著优势也为军事无线传感器网络提供了良好的保密性能。UWB技术的低功率谱密度和高处理增益特性，也保证了它具备良好的同频带共存能力，可以很好的解决无线传感器网络在复杂环境下的电磁兼容问题。

2.5  测距定位精度高
    节点的准确定位是无线传感器网络应用的重要条件。获得节点位置的一个直接想法是使用全球定位系统(GPS)来实现，但是在无线传感器网络中使用GPS来获得所有节点的位置受到价格、体积、功耗等因素限制，存在着一些困难，另外GPS也很难应用于室内无线传感器网络。超宽带无线电中脉冲宽度为纳秒级(甚至亚纳秒级)，占用的带宽在1 GHz以上，具备厘米级的相对定位能力。国外一些公司为军方开发基于超宽带技术的通信/定位系统，IEEE 802.15.4a工作组也正在进行低速无线个域网物理层的标准化工作，主要研究能在极低功率消耗情况下同时提供通信和高精度测距/定位能力的解决方案，UWB技术正是其主要的备选方案。

    综上所述，基于UWB技术的无线传感器网络在诸多方面具备得天独厚的优势，将成为下一代无线传感器网络的研究热点和发展方向。

3 超宽带无线传感器网络的要害技术
    研究基于超宽带技术的无线传感器网络时，除了无线传感器网络的通用要害技术，还需要关注下面一些热点问题：适用于无线传感器网络的UWB无线传输技术，与UWB相结合考虑的无线传感器MAC协议，利用定位信息的路由技术，高精度测距定位方法，跨层设计方法等。

3.1超宽带传输技术
    考虑到无线传感器网络的应用环境，低功耗低成本是设计无线传感器网络的重要问题。所以，要结合无线传感网的要求，设计合适的UWB传输技术，重点研究简单、低功耗的调制解调技术，低成本、小体积的收发信机，结构合理的通信/定位一体化设计。综合以上因素，非相干方式的UWB无线传输技术可以成为一个很好的备选方案。

3.2 媒体访问控制协议
    无线传感网研究的核心问题之一就是功耗治理。射频模块是节点中最大的耗能模块，是优化的主要目标。媒体访问控制(MAC)协议直接控制射频模块，对节点功耗有很大的影响。传感器节点的无效功耗主要来自：空闲侦听、数据冲突、串扰(接收和处理发往其他节点的数据)、控制报文开销等。MAC协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量，增加射频模块休眠时间和冲突避免等等。

    Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、Berkley-MAC和Data-gathering MAC是目前无线传感网比较有代表性的MAC协议。另外，低成本、低功耗、低数据率的无线互联标准IEEE 802.15.4也对MAC协议做了具体的规范。超宽带无线传感器网络可以从UWB基本的信道划分方式入手，利用超宽带无线电的多址方式(跳时多址等)，结合上述的现有MAC协议，并考虑UWB技术自身的定位功能，研究低功耗、分布式、各方面性能比较平衡的MAC协议。

3.3 路由协议
    路由协议的任务是在传感器节点和接收发送节点之间建立路由，可靠地传递数据。由于无线传感网资源受限，因此路由协议的设计原则是算法简单，不能在节点保存太多的状态信息，节点间不能交换太多的路由信息。目前有代表性的路由协议包括Flooding/Gossiping协议、SPIN协议、定向扩散协议、LEACH协议和TEEN协议等。可以结合UWB技术的精确定位能力，利用位置信息将数据中转到目标区域，从而不必为了找到目标节点向全网广播数据。另外，利用节点间的相对距离，可以为数据报选择更节省能量的路径。

3.4 高精度测距定位技术
    根据定位机制，可将现有的无线传感器网络自身定位算法分为两类：Range-based和Range-free，即基于测距技术的定位算法和无需测距的定位算法。前者通过测量节点间点到点的距离或者角度信息，使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算节点位置；后者无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现。无需测距定位机制在成本、功耗等方面具有优势，但精度较低，主要算法包括质心算法、凸规划算法、DV-Hop、Amorphous、MDS-MAP和APIT算法等。UWB脉冲的宽度在1 ns以下，占用的带宽在1 GHz以上，采用时间到达(TOA)方法测距，理论上可以达到厘米级的测距精度[3]。但在复杂多径和非视距(NLOS)的影响下，UWB的测距和定位精度很难达到理论极限，选择性能代价比高的定位机制和节省能耗的定位跟踪算法是目前急需解决的问题。通过结合MAC和路由协议的设计，可实现无线传感器网络高精度的测距、定位和跟踪。

3.5 协议栈优化和跨层设计思路
    在保证一定的系统通信性能(传输速率、延迟、丢包率等)的前提下，优化的协议栈设计会直接支持网络能量治理的优化。无线传感器网络的协议栈优化必须针对不同应用环境，结合容错性、抗干扰性和功耗等要害指标的要求进行全局跨层设计。在研究超宽带无线传感网的体系结构时，要根据实际的应用场合，考虑UWB无线电的特点，结合数据收集、数据融合、目标定位/跟踪以及查询和治理等具体要求，探索具有自组织、分布式和跨层优化能力的超宽带无线传感器网络体系。

4 结束语
    UWB技术和无线传感器网络是两个新兴的热点研究课题，两者可以形成天然的结合。基于UWB技术的无线传感器网络具备一些传统无线传感网无法比拟的优势，将成为下一代无线传感器网络的发展方向，具备广阔的应用前景。

5 参考文献
[1] Akyildiz I F,Su Weilian, Sankarasubramaniam Y, et al. A Survey on Sensor Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(8):102—105.
[2] Oppermann I,Stoica L, Rabbachin A, et al. UWB Wireless Sensor Networks: UWEN — a Practical Example [J]. IEEE Communications Magazine, 2004,42(12):27—32.
[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—393.

吴微威，中国科学技术大学无线网络通信实验室在读博士生，研究方向为UWB、无线传感器网络等。

王卫东，中国科学技术大学电子工程与信息科学系教授，研究方向为微波毫米波器件与电路、毫米波精确制导技术、射频与微波通信、超宽带无线通信等。

卫国，中国科学技术大学信息科学技术学院执行院长，教授、博士生导师，多媒体计算与通信教育部微软重点实验室主任，国家“863”计划通信技术主题未来移动通信系统总体组成员。研究方向为无线通信、通信网络和信号处理。