淺析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在目標跟蹤中的應(yīng)用

摘要：無線傳感絡(luò)(WSN， Wireless Sensor Networks)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。該文簡要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點及節(jié)點定位、時間同步等支撐技術(shù)進行了探討。最后闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在目標跟蹤中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)；支撐技術(shù)；目標跟蹤

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)31-0872-03

Analysis of Wireless Sensor Network and Its Application in Target Tracking

YANG Xiao-ying1， PENG Gang2

(1.Institute of Computer and Control， Guilin University of Eelectronic Technology， Guilin 541004， China; 2.Educational Technology Center， Guilin Air Force Academy， Guilin 541003， China)

Abstract: As a new next network， the wireless sensor network is a front hot researching area which is a concerned， multi-discipline， knowledge highly integrated filed. This paper introduces briefly the wireless sensor network's architecture. Its characteristics and support technologies such as node localization， time synchronism and so on are discussed. Finally the wireless sensor networks' application in the target tracking are Elaborated.

Key words: wireless sensor networks;architecture;support technologies;target tracking

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量集成了傳感、數(shù)據(jù)收集、處理和無線通信能力的小體積、低成本的傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并傳送給需要此信息的用戶。作為計算、通信和傳感器三項技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認為是21世紀最重要的技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微處理能力和無線通信能力使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用前景，特別在目標跟蹤上的應(yīng)用更是成為各國爭相研究的熱點。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計基本上都是為了同時滿足人們各種各樣的需要，如語音、視頻、圖像等。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是為了某個特定的需要而設(shè)計的，它是一種基于應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下鮮明的個性特點：

2.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，覆蓋的地理面積廣

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量級通常為幾百或者幾千，有的甚至上萬。為了在某個地理區(qū)域上進行監(jiān)測，通常有成百上千的節(jié)點被布置在該區(qū)域，節(jié)點數(shù)量眾多，密度高。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣的地理區(qū)域。

2.2 自組織、無中心、多跳路由

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署的特點。節(jié)點一旦被拋撒即以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，無需任何預設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，具有很強的抗毀性。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信，若需要與通信覆蓋范圍外的節(jié)點通信，則需要通過中間節(jié)點進行多跳路由。

2.3 動態(tài)拓撲

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運行；一個節(jié)點也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動拓撲組織功能。

2.4 可靠的網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所處的環(huán)境往往是很惡劣的，導致節(jié)點易受干擾，容易出錯，網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護，這就要求網(wǎng)絡(luò)具備一定的容錯能力。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器感知對象和觀察者都可能具有移動性，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，而且網(wǎng)絡(luò)一旦形成，人們很少干預其運行，加之物理環(huán)境不確定性的影響，使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)高度的動態(tài)性，傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件必須具有魯棒性和容錯性，相應(yīng)的通信協(xié)議必須具有可重構(gòu)和自適應(yīng)性。

2.5 資源有限的網(wǎng)絡(luò)

能量有限性：傳感器節(jié)點的能源主要是電池， 網(wǎng)絡(luò)大多工作在惡劣環(huán)境中，幾乎不能更換電池。因此任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提。資源受限：節(jié)點只具有有限的硬件資源，這決定了在節(jié)點操作系統(tǒng)設(shè)計中，協(xié)議層次不能太復雜。通信能力有限：傳感器節(jié)點的有通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導致通信失敗。因此，如何利用有限的通信能力高質(zhì)量地完成感知任務(wù)是設(shè)計人員面臨的重要挑戰(zhàn)。

2.6 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，這就是以數(shù)據(jù)為中心的特點。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目巨大，觀察者感興趣的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而不是傳感器本身，網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)特性和節(jié)點放置的隨機性，節(jié)點只需使用局部可以區(qū)分的標號標識，快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)（如圖1）

根據(jù)應(yīng)用的場景不同，傳感器節(jié)點的具體設(shè)計也不同，基本本組成包括如下4個基本單元：傳感單元、處理單元、通信單元和電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

傳感單元負責檢測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，處理器模塊負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，對感知部件獲取的信息進行必要的處理和保存，控制感知部件和電源的工作模式，通信單元負責與其他節(jié)點進行通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，電源為傳感器節(jié)點提供正常工作所必需的能源。

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖2）

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點可以通過飛機布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式實時感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink節(jié)點（接收發(fā)器）鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠程控制管理中心（如下圖所示）。整個網(wǎng)絡(luò)主要包括以下幾部分：

網(wǎng)絡(luò)用戶（任務(wù)管理節(jié)點）：它負責從網(wǎng)絡(luò)中獲取所需要的信息，同時也可以對網(wǎng)絡(luò)做出各種各樣的指示、操作等。

傳輸介質(zhì)（Internet網(wǎng)或通訊衛(wèi)星）：它是用戶與傳感網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁和紐帶。

Sink節(jié)點（接收發(fā)送器）：它擁有足夠的能量，可以將從傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量有限的節(jié)點上傳來的信息轉(zhuǎn)發(fā)到傳輸介質(zhì)上。

傳感網(wǎng)絡(luò)：這是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心。在感知區(qū)域中。大量的節(jié)點自組成網(wǎng)，監(jiān)測、感知信息向Sink發(fā)送，或接收來自Sink節(jié)點的操作命令，改變自身的工作狀態(tài)。

2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（如圖3）

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。

物理層負責數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀\\幀檢測\\媒體訪問和差錯控制，網(wǎng)絡(luò)層主要負責路由生成與路由選擇，傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，應(yīng)用層與物理環(huán)境交互密切，其通信構(gòu)架和所提供的服務(wù)都是針對每個特定的應(yīng)用而設(shè)計的。除了這通用的五層之外，還包括一些支撐技術(shù)貫穿WSN層，如低開銷低成本的定位機制和時間同步機制，能量管理，以及Qos 支持與網(wǎng)絡(luò)安全機制等。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)為用戶提供各種具體的應(yīng)用支持，包括節(jié)點定位、時間同步、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)融合等。

3.1 定位技術(shù)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，確定事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置時傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。獲得節(jié)點位置的一個直接想法是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)來實現(xiàn)，但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用GPS來獲得所有節(jié)點的位置受到價格、體積、功耗等因素限制，存在著一些困難[1]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)節(jié)點定位基本思想是通過測量射頻信號強度、到達的角度、到達的時間等。目前主要的研究方向是利用少量已知位置節(jié)點（參考節(jié)點，采用GPS定位或者預先放置的節(jié)點）來獲得其它節(jié)點的位置信息。

3.2 時間同步

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和應(yīng)用要求各節(jié)點間的時鐘必須保持同步如在多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、在低能耗MAC協(xié)議的設(shè)計、定位技術(shù)等中都離不開時間同步。多個傳感器節(jié)點相互配合操作，節(jié)點的休眠等也要求時鐘同步。

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中采取的時間同步通常采用GPS授時或網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)[2]。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性，這些現(xiàn)有的時間同步技術(shù)已不適用了。因而有必要研究適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)，以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要以及對傳感器網(wǎng)絡(luò)本身各種技術(shù)的需要。目前關(guān)于WSN時間同步技術(shù)已經(jīng)有了一些進展，主要有RBS、TPSN、DMTS、LTS、FTPS等。然而，目前WSN的時間同步技術(shù)并不完善，還有許多問題有待解決。

3.3 安全技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全是網(wǎng)絡(luò)研究中的一個重要問題。無線網(wǎng)絡(luò)由于其傳輸介質(zhì)的特殊性，網(wǎng)絡(luò)安全問題顯的更為重要。目前國際上對于傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的研究主要集中在如下幾個方面：密鑰管理是、身份認證和攻防技術(shù)。

對傳感器網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)層攻擊分成下列幾種：欺騙、更改或者回放路由選擇信息，選擇性向前轉(zhuǎn)發(fā)(selective forwarding)，落水洞攻擊(sink hole attacks)，西比爾攻擊(sybil attacks)，蠕蟲漏洞(worm holes)，HELLO洪泛攻擊(HELLO flood attacks)等；針對目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的一些安全隱患，AdrianPerrig等人[3]提出了一種用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全協(xié)議SPINS。

3.4 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合，按美國國防部JDL(JointDirec2tionsofLaboratories)[4]從軍事應(yīng)用角度來看，是指將來自多傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組合以獲得精確的位置估計和份估計，以及對戰(zhàn)場情況和威脅及其重要程度進行適時的完整評價。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合是指在傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給骨干節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，并把融合結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)收集節(jié)點。作用是減少通信量，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高信息的精確度。

根據(jù)數(shù)據(jù)融合與傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層間的關(guān)系，可以分為三類：依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合(ADDA)，獨立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合(AIDA)，結(jié)合以上來兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合。 ADDA的操作需要跨協(xié)議層理解數(shù)據(jù)含義，并且經(jīng)常會導致數(shù)據(jù)中丟失的信息過多；AIDA則保持了各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的獨立性，處于網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層之間，可以和其它協(xié)議層內(nèi)的融合技術(shù)共存，并且本身不會導致信息丟失，也不會引入端到端傳輸延遲。

3.5 數(shù)據(jù)管理

傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的目的是把傳感器網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的邏輯視圖（命名、存取和操作）和網(wǎng)絡(luò)的物理實體實現(xiàn)分離開來，似的傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶和應(yīng)用程序只需關(guān)心所要提出的查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而無需關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)。在實際應(yīng)用中，通過對傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲得的感知數(shù)據(jù)進行查詢分析，可以對物理世界進行有效檢測。

目前用于傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有以下四種[5]：集中式結(jié)構(gòu)、半分布式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和層次式結(jié)構(gòu)。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標跟蹤的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標跟蹤一直作為研究的熱點。由于傳感器節(jié)點體積小、價格低廉、采用無線通信方式，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨機，具有自組織性、魯棒性和隱藏性等特點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于移動目標的定位和跟蹤[6]。主要體現(xiàn)在軍事應(yīng)用和民用。

4.1 軍事應(yīng)用領(lǐng)域

無線器傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和使用最早可追溯到冷戰(zhàn)時期，當時美國為了能檢測前蘇聯(lián)核潛艇的行蹤建立了海底聲響監(jiān)視系統(tǒng)，隨后建立了雷達防空網(wǎng)絡(luò)[7]。在戰(zhàn)場監(jiān)測這個受惡劣條件和偵察手段等因素限制的環(huán)境中，布置一定規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可發(fā)揮其隱蔽性和適應(yīng)性好的特點，對戰(zhàn)場敵情變化進行實時監(jiān)測。

無人值守傳感器UGS和基于UGS的遙控戰(zhàn)場傳感系統(tǒng)已經(jīng)在美軍裝備中使用。該系統(tǒng)可以檢測、分類和判別人和車輛的運動方向。美國海軍開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC(Cooperative Engagement Capability)是一項革命性的技術(shù)，可以快速而準確地跟蹤混亂戰(zhàn)爭環(huán)境中的敵機和導彈，使戰(zhàn)船可以擊中多個地平線或地平線以上近海面飛行的超聲波目標。因此，即使是今天最先進的反艦巡航導彈也會被實時地監(jiān)測到并被擊中。

4.2 民用領(lǐng)域

剛開始時，由于當時技術(shù)條件的限制，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用難以得到大面積推廣和發(fā)展。隨著無線通信、微處理器、MEMS等信息獲取技術(shù)和傳送技術(shù)的進步，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用于人民的生活中。地表檢測物種跟蹤，使人類對瀕危生物習性的了解，采取相應(yīng)措施；對污染作出針對性的跟蹤檢測，作出預警預報；在交通中對車輛的跟蹤[8]等等。

遠程健康監(jiān)測通過在老年人身上佩戴一些血壓脈搏林溫等微型無線傳感器，醫(yī)生可以從醫(yī)院里遠程了解這些老年人的健康狀況。通過這種方法，還可以對一些冠心病、腦溢血等高危病人進行24小時健康檢測跟蹤，從而保證了病人發(fā)病時得到及時的搶救治療。病變器官觀察通過在人體器官中植入一些微型傳感器，隨時觀測器官的生理狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化，及時采取治療措施從而挽救病人生命。

5 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究歷史并不長，但發(fā)展非常迅速，已成為當今世界科學研究的主流之一。它將是未來一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，需要各種技術(shù)支撐。由于其本身的特點，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，這給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。許多基礎(chǔ)性問題和關(guān)鍵技術(shù)需要解決，如能量有限性，計算存儲能力，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。但隨著越來越多的關(guān)注和研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的靈活性、高感知能力以及快速布局等特點決定了它的應(yīng)用領(lǐng)域必將極為廣泛，必然對人們的生活產(chǎn)生深遠的影響。

參考文獻：

[1] Savvides A， Han C， Srivastava M. Dynamic fine-grained localization in ad-hoc networks of sensors[A]. 7th ACM Int Confon Mobile Computing and Networking (Mobicom)[C]. Rome， Italy， 2001.166-179.

[2] S. Ganeriwal， R. Kumar， and M. Srivastava， \"Timing Sync Protocol for Sensor Networks，\" ACM SenSys， Los Angeles， CA， Nov. 2003.

[3] Adrian Perrig， Robert Szewc;zyk \"SPINS: Security Protocols for Sensor Networks\" Department of Electrical Engineering and Computer Sciences University of California， Berkeley.

[4] 美國國防部關(guān)鍵技術(shù)計劃(1992財年)[R]. 北京:國防科技信息中心，1993.

[5] 孫利民，李建中，等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京:清華大學出版社，2005.

[6] LiuJ，Cheung P， Zhao F， Guibas L. A dual-space approach to tracking and sensor management in wireless sensor networks. Palo Alto Research Center Technical Report P2002-10077， March， 2002. Also in: Proc 1st ACM Int'1 Workshop on Wireless Sensor Network and Applications， Atlanta， GA. 2003.131-139.

[7] C.E.Nishimura and D.M.Conlon. IUSS dual use: Monitoring whales and earthquakes using SOSUS. Mar.Technol.Soc.J.， 1994， vol 27， no.4， pp.13-21.

[8] 王殊，閻毓杰，等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，2007.