1、軍事需求

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門新興的科學(xué)技術(shù)，正如當(dāng)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(cè)感知技術(shù)延伸到更廣闊的領(lǐng)域。目前，傳感器在戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，利用無(wú)線自組織的方式建立網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軍事應(yīng)用上將是一項(xiàng)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(cuò)性等特征使得傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取中起著非常重要的作用。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無(wú)法比擬的，也正是這一點(diǎn)，使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中。比如監(jiān)控我軍兵力，裝備和物資；戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視；偵察敵方兵力部署和地形；定位攻擊目標(biāo)；評(píng)估損失；偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué)攻擊等等。

1）監(jiān)控我軍兵力，裝備和物資。指揮官可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控我方部隊(duì)的狀況，在戰(zhàn)場(chǎng)上通過(guò)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(gè)部隊(duì)、車輛、裝備和關(guān)鍵物資上安裝傳感器，這些傳感器可以報(bào)告相應(yīng)的狀態(tài)。所有這些數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)最終發(fā)送給終端的指揮官，最后融合來(lái)自各戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)監(jiān)控。對(duì)關(guān)鍵的區(qū)域、可通過(guò)的路線，可以快速地部署傳感器來(lái)嚴(yán)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(shí)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(diǎn)撒向敵方陣地，在敵方還未來(lái)得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。

4）目標(biāo)定位。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以嵌入導(dǎo)航系統(tǒng)，來(lái)提供精確的定位信息。

5）偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué)攻擊。在化學(xué)和生物戰(zhàn)中，在爆炸中心附近及時(shí)、準(zhǔn)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(lái)作為化學(xué)和生物攻擊的預(yù)警系統(tǒng)，這樣就可以為我軍提供寶貴的反應(yīng)時(shí)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(xué)攻擊后提供精確的探測(cè)數(shù)據(jù)，我們可以部署傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)探測(cè)數(shù)據(jù)從而避免核反應(yīng)部隊(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)受到核輻射。

2、國(guó)外研究背景

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

目前國(guó)外一些政府、院校和工業(yè)等部門針對(duì)不同應(yīng)用需求的研究工作正在緊密開展，美國(guó)的很多大學(xué)都已開展傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究：加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）用于低能無(wú)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(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）致力于基于知識(shí)的信號(hào)處理技術(shù)、哈佛大學(xué)（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(guó)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(guó)際主流研究項(xiàng)目有：

1）Smart Dust（智能塵埃）Smart Dust項(xiàng)目是在美國(guó)DARPA贊助支持下，由U.C.Berkeley開展進(jìn)行的微型傳感器網(wǎng)的研究計(jì)劃，已于2000年完成。它的主要目標(biāo)是在盡可能小的封裝下完成一個(gè)傳感器和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造，其中包括小型化、一體化設(shè)計(jì)與能量管理等幾方面問題。值得一提是，由Smart Dust計(jì)劃所發(fā)展出的技術(shù)已進(jìn)一步商業(yè)化。Intel公司負(fù)責(zé)投資的Crossbow Technology將Smart Dust技術(shù)商業(yè)化，并負(fù)責(zé)制造和推銷。

2）NEST（Network Embedded System Technology）Nest項(xiàng)目是在Smart Dust研究基礎(chǔ)上，由U.C.Berkeley和Intel共同開展的一項(xiàng)研究計(jì)劃。NEST主要圍繞傳感器網(wǎng)的軟件/硬件開放試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了深入地研究與開發(fā)，并構(gòu)建了一個(gè)演示范例GDI(Great Duck Island)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3）μAMPS(μ-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors) μAMPS計(jì)劃是麻省理工學(xué)院在DARPA、ARL、Texas Instruments公司、HP公司資助下，針對(duì)傳感器網(wǎng)進(jìn)行的研究。從單個(gè)節(jié)點(diǎn)和整個(gè)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(shí)現(xiàn)自組織、重配置和自適應(yīng)。

4）WINS(Wireless Integrated Network Sensors) WINS計(jì)劃是美國(guó)DARPA、Army Research Laboratory(ARL)和Federated Laboratories program共同資助支持，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)電子工程系和Rockwell Science Center合作負(fù)責(zé)進(jìn)行的一項(xiàng)傳感器組網(wǎng)研究計(jì)劃。WINS的研究重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)技術(shù)、包括微功率CMOS VCO和混頻器電路、低功率信號(hào)處理電路、衛(wèi)星紅外、聲學(xué)傳感器制造技術(shù)等。

5）SCADDS(Scalable Coordination Architectures for Deeply Distributed Systems)  SCADDS是由美國(guó)DARPA傳感器信息技術(shù)計(jì)劃支持的項(xiàng)目，主要研究定向擴(kuò)散、自適應(yīng)保真、定位、時(shí)間同步、自我配置、傳感器Mac協(xié)議。目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的一些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)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(lán)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(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要手段，高效準(zhǔn)確的仿真工具對(duì)推動(dòng)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(tái)，如NS-2，OMNeT++，OPNET，GloMoSim和QualNet，但是由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特殊性，這些仿真平臺(tái)都具有某些使用的局限性，因此許多學(xué)者都投入大量精力在上述幾種平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的已經(jīng)出現(xiàn)部分科研單位和大學(xué)開展了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，如清華大學(xué)計(jì)算機(jī)與科學(xué)系、解放軍理工大學(xué)信息通信工程學(xué)院、西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等?？傮w上來(lái)說(shuō)，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(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)仿真和實(shí)驗(yàn)階段，仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)規(guī)模在幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)左右。

4、主要差距

1、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)計(jì)在30個(gè)以內(nèi)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)充后（例如上百個(gè)乃至上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)），通過(guò)現(xiàn)行設(shè)計(jì)的路由探測(cè)協(xié)議，會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)容量的增加網(wǎng)絡(luò)探測(cè)時(shí)延加長(zhǎng)，對(duì)時(shí)間要求不高的系統(tǒng)可以接受，但網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)渑c調(diào)整則出現(xiàn)明顯滯后。

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的跳躍階數(shù)最大為3，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蛇M(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)充，需要考慮的問題是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳扇〉氖擎準(zhǔn)竭B接，即當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)失效時(shí)有可能導(dǎo)致各跳鏈路失效，表明這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟子趯?shí)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(shí)現(xiàn)的一個(gè)側(cè)重點(diǎn)。本文源自澤天傳感，，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。