無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless Sensor Networks，WSN)是由一組隨機(jī)分布的，集傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊于一體的微型傳感器，以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對(duì)象的信息，并傳送給信息獲取者。WSN技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)保等諸多方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，正受到各技術(shù)和軍事強(qiáng)國越來越多的關(guān)注。
由于WSN的探測節(jié)點(diǎn)可以通過飛機(jī)播撒或人工布置等方法大量部署于感知對(duì)象的附近，不斷獲得感知對(duì)象的各種信息，為軍事指揮員的決策提供第一手信息資料，因此在當(dāng)代信息化戰(zhàn)爭的形態(tài)下，具有廣闊的軍事應(yīng)用前景。
我國目前的WSN技術(shù)研究已具初步規(guī)模，但對(duì)于WSN技術(shù)的軍事應(yīng)用研究尚處于起步階段。
1 WSN的構(gòu)成與特點(diǎn)
1．1 WSN的構(gòu)成
典型的WSN系統(tǒng)主要由信息管理節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink Nocle)、傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
傳感器節(jié)點(diǎn)由部署在感知對(duì)象附近大量的廉價(jià)微型傳感器模塊組成，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。各模塊通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。一個(gè)WSN系統(tǒng)通常有數(shù)量眾多的體積小、成本低的傳感器節(jié)點(diǎn)。
匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了底層數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，雖然單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能有限，采集的數(shù)據(jù)也不夠準(zhǔn)確，但是大量具有一定計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，構(gòu)成一個(gè)具有高度抗毀性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其采集數(shù)據(jù)的精度和廣度得以很大提升，傳回的數(shù)據(jù)完全能夠作為用戶決策的參考。
匯聚節(jié)點(diǎn)通過通信衛(wèi)星或其他其通信網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測任務(wù)的發(fā)布和監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與處理。WSN典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1
1．2 WSN的特點(diǎn)
WSN具有諸多其他信息探測系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢，同時(shí)也具有一定局限性。
1．2．1 優(yōu)勢
(1)生存能力強(qiáng)
WSN密集分布在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點(diǎn)地位平等，沒有嚴(yán)格的控制中心。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，而不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。當(dāng)某些傳感器節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境干擾或人為破壞而不能正常工作時(shí)，隨機(jī)分布的大量傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)調(diào)互補(bǔ)，動(dòng)態(tài)連接成新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證部分傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響到全局任務(wù)。因此，WSN在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下有著很強(qiáng)的生存能力。
(2)精確性和可靠性高 由于WSN系統(tǒng)可以在監(jiān)測區(qū)域大量布設(shè)低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠與探測目標(biāo)近距離地接觸，極大地消除了環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過多種傳感器的混合應(yīng)用，可以在提高探測性能指標(biāo)的同時(shí)從不同空間視角對(duì)監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測，而多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合和多方位信息的綜合能夠有效地提高信噪比，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測區(qū)域，從而提高監(jiān)測準(zhǔn)確性，克服衛(wèi)星和雷達(dá)這類獨(dú)立系統(tǒng)的技術(shù)難題。
WSN系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模部署，使WSN通常具有較高的節(jié)點(diǎn)冗余、網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集數(shù)據(jù)冗余，為整個(gè)系統(tǒng)提供了很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。此外，借助傳感器節(jié)點(diǎn)中個(gè)別具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和肓點(diǎn)，進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲和提高探測的準(zhǔn)確性。
(3)自組織能力強(qiáng)
WSN是一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，網(wǎng)絡(luò)中不存在嚴(yán)格的中心控制節(jié)點(diǎn)。其工作的展開不依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以通過自我協(xié)調(diào)、自動(dòng)布置，快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。
(4)可擴(kuò)展性強(qiáng)
WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能因?yàn)榉N種原因退出或加入網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，原有的WSN可以有效地容納或剔除變化的節(jié)點(diǎn)，快速形成新的網(wǎng)絡(luò)并繼續(xù)原來的丁作，無需外界幫助。
1．2．2 局限性
由低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的以自組織模式工作的WSN系統(tǒng)也具有一定的局限性：
(1)能量的有限性
WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，一般依賴能量有限的電池供電。其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域和大規(guī)模的應(yīng)用數(shù)量，決定了使用過程中無法對(duì)其進(jìn)行能量更新，一旦電池耗盡該節(jié)點(diǎn)便隨即“死亡”。因此，在WSN設(shè)計(jì)過程中如何提高能量使用效率和節(jié)點(diǎn)生命周期，是需要考慮的首個(gè)重要因素。
(2)硬件資源的有限性
WSN系統(tǒng)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)這種需要大規(guī)模部署的微型嵌入式系統(tǒng)的要求非常高，包括體積小、價(jià)格低、功耗小等。受這些要求的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、程序空間和內(nèi)存空間非常有限，同時(shí)面向WSN的算法計(jì)算設(shè)計(jì)也要盡可能簡單，易于在傳感器節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)。
(3)通信能力的有限性
由于無線通信所需能量與通信距離的n次方成正比，隨著通信距離的增加，WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗將急劇增加。受能量因素的約束，節(jié)點(diǎn)必須在滿足通信暢通和生命周期正常的條件下考慮提高通信距離。同時(shí)，受外界地理?xiàng)l件、自然環(huán)境等的影響，無線通信性能可能經(jīng)常變化，會(huì)頻繁出現(xiàn)通信中斷等現(xiàn)象，這也使WSN系統(tǒng)的通信能力受到很大的限制。
2 傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事中的應(yīng)用
信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場信息的及時(shí)獲取和反應(yīng)對(duì)于整個(gè)戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要。由于WSN具有生存能力強(qiáng)、探測精度高、成本低等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，執(zhí)行戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控、目標(biāo)定位、戰(zhàn)爭效能*估、核生化監(jiān)測以及國土安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等任務(wù)。
2．1 戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控
戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控的基本思想，是在戰(zhàn)場上布設(shè)大量的WSN，以收集和中繼信息，并對(duì)大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾；然后把重要信息傳送到數(shù)據(jù)融合中心，將大量信息集成為一幅戰(zhàn)場全景圖，以滿足作戰(zhàn)力量“知己知彼”的要求，大大提升指揮員對(duì)戰(zhàn)場態(tài)勢的感知水平。
典型的WSN應(yīng)用方式是用飛行器將大量微傳感器節(jié)點(diǎn)散布于戰(zhàn)場地域，并自組成網(wǎng)，將戰(zhàn)場信息邊收集、邊傳輸、邊融合。系統(tǒng)軟件通過解讀傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等相關(guān)信息，以及其他WSN的信息相互融合，向戰(zhàn)場指揮員提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)更新的戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)庫，為各作戰(zhàn)平臺(tái)更準(zhǔn)確地制定戰(zhàn)斗行動(dòng)方案提供情報(bào)依據(jù)和服務(wù)，使情報(bào)偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
對(duì)戰(zhàn)場的監(jiān)控可以分為對(duì)己方的監(jiān)控和對(duì)敵方的監(jiān)測，包括軍事行動(dòng)偵察與非軍事行動(dòng)的監(jiān)測。通過在己方人員、裝備上附帶各種傳感器，并將傳感器采集的信息通過匯聚節(jié)點(diǎn)送至指揮所，同時(shí)融合來自戰(zhàn)場的其他信息，可以形成己方完備的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，幫助指揮員及時(shí)準(zhǔn)確地了解*、武器裝備和軍用物資的部署和供給情況。
通過飛機(jī)或其他手段在敵方陣地大量部署各種傳感器，對(duì)潛在的地面目標(biāo)進(jìn)行探測與識(shí)別，可以使己方以遠(yuǎn)程、精確、低代價(jià)、隱蔽的方式近距離地觀察敵方布防，迅速、全方位地收集利于作戰(zhàn)的信息，并根據(jù)戰(zhàn)況快速調(diào)整和部署新的WSN，及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵方企圖和對(duì)我方的威脅程度。通過對(duì)關(guān)鍵區(qū)域和可能路線的布控WSN，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方全天候的嚴(yán)密監(jiān)控。
2．2 目標(biāo)定位
WSN中感知目標(biāo)信息的節(jié)點(diǎn)將感知信息廣播(無線傳送)到管理節(jié)點(diǎn)，再由管理節(jié)點(diǎn)融合感知信息，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行判斷的過程稱為目標(biāo)定位。目標(biāo)定位是WSN的重要應(yīng)用之一，為火力控制和制導(dǎo)系統(tǒng)提供精確的目標(biāo)定位信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定目標(biāo)的精確打擊。
由于WSN具有擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性和隱蔽性好等特點(diǎn)，使得它非常適合對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，為指揮中心提供被跟蹤對(duì)象的實(shí)時(shí)位置信息。WSN的目標(biāo)定位應(yīng)用方式可以分為偵測、定位、報(bào)告三個(gè)階段。在偵測階段，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)“啟動(dòng)”以探測可能的目標(biāo)，并在目標(biāo)出現(xiàn)后計(jì)算自身到目標(biāo)的距離，同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)廣播包括節(jié)點(diǎn)位置及與目標(biāo)的距離等內(nèi)容的信息。在定位階段，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的目標(biāo)方位與自身位置信息，通過最大似然、三邊測量或三角測量等方法，獲得目標(biāo)的位置信息，然后進(jìn)入報(bào)告階段。在報(bào)告階段，WSN會(huì)向距離目標(biāo)較近的傳感器節(jié)點(diǎn)廣播消息，使之啟動(dòng)并加入跟蹤過程，同時(shí)WSN將目標(biāo)信息通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)或指揮所，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位。
2003年美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局主導(dǎo)的Network Embed and System Technology項(xiàng)目成功驗(yàn)證了WSN技術(shù)的準(zhǔn)確定位能力。該項(xiàng)目采用多個(gè)廉價(jià)音頻傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同定位敵方狙擊手，并標(biāo)識(shí)在所有參戰(zhàn)人員的個(gè)人計(jì)算機(jī)中，三維空間的定位精度可達(dá)1．5 m，定位延遲達(dá)2 s，甚至能顯示出敵方狙擊手采用跪姿和站姿射擊的差異，使指揮員和戰(zhàn)斗員的作戰(zhàn)態(tài)勢感知能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。
12
