基于超宽带技术的无线传感器网络

关键词：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、新颖的无线传输技术，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特殊的自组织(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(如发生自然灾害时，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兴趣区域，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)是一个特殊的节点，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)和任务管理界面等[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。

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