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无线传感器网络技术的军事应用

21ic?? 2011年06月13日 ?? 收藏0

  引言

  无线传感器网络(wireless Sensor Networks,WSN)是由一组随机分布的,集传感器、数据处理单元和通信模块于一体的微型传感器,以自组织方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息,并传送给信息获取者。WSN技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络技术、分布式信息处理技术和通信技术,在军事、工业、医疗、交通、环保等诸多方面有着巨大的应用价值,正受到各技术和军事强国越来越多的关注,被美国《技术*论》杂志*选为未来10种改变世界的新兴技术的第1位。

  由于WSN的探测节点可以通过飞机播撒或人工布置等方法大量部署于感知对象的附近,不断获得感知对象的各种信息,为军事指挥员的决策提供第一手信息资料,因此在当代信息化战争的形态下,具有广阔的军事应用前景。

  美国国防部及各军事研究部门对WSN技术都给予了高度重视,在C4ISR基础上提出了C4KISR计划,强调基于WSN技术的战场情报感知能力、信息综合能力和信息利用能力。作为很有代表性的WSN军事应用研究项目,“智能灰尘(Smart DuST)”和“沙地直线(A Line in the Sanel)”也取得了令人瞩目的研究成果。“智能尘埃”的设计思想是,在战场上抛撒数千个具有计算能力和无线通信功能的低成本、低功耗超微型传感器模块并组成网络,用于监控敌人的活动情况,并将采集到的原始数据进行简单处理后发送回指挥部。“沙地直线”是国防高级研究计划局的资助下开发的一种WSN系统。该系统可将探测节点散布到整个战场,侦测战区内高金属含量的运动目标。欧洲,德国、芬兰、意大利、法国、英国等国家的研究机构也纷纷开展了WSN技术基础理论与军事应用的相关研究工作。日本与韩国甚至将建设WSN系统提升到国家战略高度。

  我国目前的WSN技术研究已具初步规模,但对于WSN技术的军事应用研究尚处于起步阶段。

  1 WSN的构成与特点

  1.1 WSN的构成

  典型的WSN系统主要由信息管理节点、汇聚节点(Sink Nocle)、传感器节点(Sensor Node)和相关网络构成。

  传感器节点由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,传感器节点采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点。一个WSN系统通常有数量众多的体积小、成本低的传感器节点。

  汇聚节点和传感器节点构成了底层数据采集和传输的网络系统,虽然单个节点功能有限,采集的数据也不够准确,但是大量具有一定计算能力、存储能力和通信能力的节点相互协作,构成一个具有高度抗毁性的网络系统,其采集数据的精度和广度得以很大提升,传回的数据完全能够作为用户决策的参考。

  汇聚节点通过通信卫星或其他其通信网络,将监测数据传输到管理节点。管理节点通过对整个系统的配置和管理,实现对系统中各节点监测任务的发布和监测数据的收集与处理。WSN典型结构如图1所示。

WSN典型结构

  1.2 WSN的特点

  WSN具有诸多其他信息探测系统和网络系统所不具备的独特优势,同时也具有一定局限性。

  1.2.1 优 势

  (1)生存能力强

  WSN密集分布在监测区域的大量传感器节点地位平等,没有严格的控制中心。每个传感器节点可以随时加入或离开网络,而不会影响整个网络的正常运行。当某些传感器节点由于环境干扰或人为破坏而不能正常工作时,随机分布的大量传感器节点之间可以协调互补,动态连接成新的网络系统,保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。因此,WSN在恶劣的战场环境下有着很强的生存能力。

  (2)精确性和可靠性高

  由于WSN系统可以在监测区域大量布设低成本的传感器节点,使得传感器节点能够与探测目标近距离地接触,极大地消除了环境噪声对系统性能的影响。通过多种传感器的混合应用,可以在提高探测性能指标的同时从不同空间视角对监测对象进行监测,而多节点联合和多方位信息的综合能够有效地提高信噪比,形成覆盖面积较大的实时探测区域,从而提高监测准确性,克服卫星和雷达这类独立系统的技术难题。

  WSN系统中传感器节点的大规模部署,使WSN通常具有较高的节点冗余、网络链路冗余以及采集数据冗余,为整个系统提供了很强的容错能力。此外,借助传感器节点中个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构进行调整,可以有效地消除探测区域内的阴影和肓点,进一步降低环境噪声和提高探测的准确性。

  (3)自组织能力强

  WSN是一个节点对等网络,每个节点都具有路由功能,网络中不存在严格的中心控制节点。其工作的展开不依赖于任何预设的网络基础设施,节点开机后就可以通过自我协调、自动布置,快速、自动地组成一个独立的网络。

  (4)可扩展性强

  WSN是一个动态的网络,网络内的节点随时可能因为种种原因退出或加入网络。此时,原有的WSN可以有效地容纳或剔除变化的节点,快速形成新的网络并继续原来的丁作,无需外界帮助。


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