第1章 无线传感器网络与多址技术概述

1.1 无线传感器网络

科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，以Internet 为代表的信息网络技术成为21世纪信息科学技术的一项伟大成果。它影响和改变着人们日常的生产和生活方式。就像世界上第一台计算机的诞生一样，将人类推进了信息网络的新时代。在日常的生产和生活中，人们不但可以随时方便地通过Internet交流，而且还可以足不出户地进行网络购物和网上银行交易。现代生活中的人们每时每刻都与Internet有着紧密的联系。或许人们会认为Internet技术已经全部实现了它的发展潜力，且很强大。然而，无论Internet的网络功能和网络世界再怎么强大和丰富，它却始终无法感知我们的现实生活，无法主动地为我们的生活和生产服务。随着人们物质文化生活水平的不断提高，Internet将无法胜任现实生活中的许多工作。时代在孕育着新的网络技术，无线传感器网络就是在这样的背景下应运而生的。

早在20世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成的传感器网络雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感器控制器的相连，组成了有信息综合和处理能力的第二代传感器网络。从20世纪末开始，人们利用现场总线技术组建智能化传感器网络，并运用大量多功能传感器技术以及使用无线技术进行连接，无线传感器网络逐渐形成。无线传感器网络的研究和应用最早可以追溯到冷战时期，因为军事需求，美国成为最早传感器网络的研究国家，它的研究历程可大致概括为早期、初期、近代和现代4个阶段。20世纪60年代被称为早期阶段，该阶段无线传感器网络的代表项目有美国的军用系统海底声响监视系统（SOSUS,Sound Surveillance System）和雷达防空网络（AWACS,Airborne Warning and Control System），其中， SOSUS是基于海底传感器阵列的监视系统，主要用来检测核潜艇的行踪。AWACS是为了使传感器网络在军事和民用领域被广泛应用。这个时期进行的一些基础研究工作，如对信息处理技术的研究，都为无线传感器网络技术的发展打下了良好的基础。20世纪70年代初期阶段，美国DARPA提出分布式传感器网络（DSN,Distributed Sensor Network）项目，它开启了现代无线传感器网络的先河，主要用于飞行器的监视和入侵检测。DSN对传感器网络的组成进行了技术规范和定义，并对一些基础技术进行了研究，主要包括网络操作系统、网络传感器技术、基础知识的信号处理技术、信息处理技术、分布式网络系统、信号跟踪技术等。20世纪90年代中期阶段，开始了低功率无线集成微型传感器研究计划，其中比较著名的是美国的一个海军项目协同交战能力（CEC,Cooperative Engagement Capability）系统，它利用海基和空基的雷达系统对空中目标进行跟踪和定位。这个阶段产生的技术，如大规模集成电路制造技术、计算机技术和通信技术等，都取得了很大的进步，从而直接推动了无线传感器网络研究的持续发展。现代阶段是从20世纪90年代末期开始，这个时期出现了由美国Dust Inc同加州大学伯克利分校合作的智能尘埃（Smart Dust），主要用于微型低功耗节点自组网的研究，以计算机技术、通信系统和大规模集成电路制造技术作为技术基础，使其向节点微型化和网络实用化方向转化。传感器网络研究的早期到近代阶段采用的是声纳和雷达为主的节点类型，并且节点的体积巨大，其组网方式主要采用有线方式。由于独立能源供电消除了能耗成为主要考虑问题的观点，加上网络既不是自组织网络，也不符合随机散布的特性。因此，虽然现在传感器网络研究仅仅是广义上的，但是这些研究中所取得的成就却为以片上系统、微机电技术和自组织网络技术为代表的现代无线传感器网络的研究打下了坚实的技术基础。

现在所说的无线传感器网络的研究始于20世纪90年代末，其代表性的研究项目有 SensoNet、WINS、SPINS、SINA 等，主要涉及的研究领域包括计算机、网络、半导体、通信、光学、微机械、化学、网络接入传感器、安全以及航天等方面。

我国现代意义上的无线传感器网络及其应用几乎和发达国家同步启动，并于1999年首次出现在中国科学院的“信息与自动化领域研究报告”中。2001年，中国科学院依托上海微系统研究与发展中心，旨在引领中国科学院内部的相关工作。该中心在传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，并且其中的许多无线传感器网络的研究项目得到了国家“973”计划基金、国家“863”计划基金和国家自然科学基金等的积极资助。经过几年的努力，已经建立了传感器网络的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站和应用系统等方面取得了重大的突破。2004年9月，在北京有对相关成果的大规模外场演示，并将部分成果应用到实际工程系统中。国内的许多高校如清华大学、西安电子科技大学、浙江大学、北京邮电大学等也掀起了无线传感器网络的研究热潮，进行了有关无线传感器网络的基础研究工作。一些企业如华为通讯股份有限公司等单位也加入了无线传感器网络的研究行列。

随着嵌入式技术、传感器技术、无线通信技术、现代网络技术和分布式信息处理等多种技术的飞速发展和日益成熟，在世界范围内开始出现具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器，由这些微型传感器组成的传感器网络逐步形成现在的研究热点。无线传感器网络（WSN,Wireless Sensor Networks）作为新一代的网络，无论是在国家安全，还是国民经济等方面均有着广泛的应用前景。未来无线传感器网络将向海、陆、空一体化综合无线传感器网络的方向发展，最终将成为虚拟世界和现实世界的接口，不断深入到人们的日常生活中，就像互联网一样改变人们的生活方式。无线传感器网络是由分布在给定部分区域中的许多无线传感器节点组成的一种信息获取系统。在该区域中的每个传感器节点都具有感知功能，并且具有一定的计算能力。各节点之间信息的交流、汇集和处理主要通过专用的网络协议来实现，从而实现给定区域之间目标的跟踪、检测、识别和定位。

由于无线通信技术的高速发展，无线网络技术也随之发展起来。无线传感器网络就是其中的一个代表。无线传感器网络是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统。WSN 融合了现代网络技术、无线通信技术、传感器技术、嵌入式计算技术的优点，节点采用特定协议自组成网，协同工作，被广泛应用于军事、环境监测、空间探索等领域。无线传感器的应用领域如图1-1所示。

图1-1 无线传感器网络的应用领域

无线传感器网络的基本结构主要包括汇聚节点、传感器节点、中继网络（Internet和其他网络）以及管理节点。

传感器节点是随机散布在监测区域中，通过自组织的方式构成网络，根据多跳路由的方式将监测到的数据传送到汇聚节点处理，最后借助长距离或短距离临时建立的汇聚链路将整个区域内的数据传到远程中心。传感器节点主要负责对数据进行采集并且将其发送给汇聚节点，然后通过中继网络（互联网或者卫星）到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，由于每个节点通过电池供电，所以它的存储能力、处理能力和通信能力比较弱。同时，每个传感器节点利用路由器和终端功能，不仅能对所需的信息进行收集和数据处理，还可以对其他节点的数据进行管理、存储和融合等功能进行处理，并且能与其他节点协作完成某些指定的任务。

汇聚节点通常也称为基站，它通过中继网络如互联网、卫星或者移动通信网络等多种桥梁实现无线传感器网络和用户之间的通信，其信息处理能力、通信能力和存储能力都比较强。它既可以是一个功能强大的有足够能量和资源的传感器节点，也可以是没有监测功能而仅有路由功能的特殊网络设备。

无线传感器网络结构如图1-2所示。

图1-2 无线传感器网络结构

无线传感器网络具有网络节点数量大、密度高，节点有一定的故障率，节点内部局限性，网络拓扑变化快和以数据为中心的分布式控制等特点。