无线通信技术的发展与无线传感器网络技术发展现状.docx

编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共21页第 1 页 共 21 页无线通信技术的发展与无线传感器网络技术发展现状一无线通信技术的发展回顾通信发展的历史，我们发现了一个非常有趣有过程：1832 年莫尔斯发明了电报，它传送的信息是由众所周知的点划码组成的，即人类最早的通信是采用数字方式进行的。以后贝尔又发明了电话，并由此造就一个电信产业。一个多世纪以来，以电话服务为主的电信业走了一条成功之路，取得了极大的发展。然而随着人类社会的发展，电信业务也从早期的电报、电话发展到今天多种业务并存的局面，通信的规模也发生了翻天覆地的变化。随着科学技术的发展，现代通信又进入了数字时代。20 世纪 90 年代信息革命的浪潮，建设信息高速公路的号角声，信息和知识爆炸式的增长，特别是因特网商用化后的迅猛发展，使传统的电信业受到巨大的震动和冲击。带给我们的启示是，问题的核心在于“信息”。在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中，人们更加需要随时随地获取信息，原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。人类需要宽带的无线通信技术，来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。无线通信是指采用电磁波进行信息传递的通信方式。早在 1897年，马可尼使用 800KHZ 中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的线无电报通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信初期，受技术条件的限制，人们大量使用长波及中波进行通信。20 世纪 20 年代初人们发现的短波通信，直到 20 世纪 60 年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。20 世纪 40 年代到 50 年代产生了传输频带较宽、性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。模拟调频传输容量高达 2700路，亦可同时传输高质量彩色电视信号；尔号逐步进入中容量至大容量数字微波传输。80 年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性变化。特别应该指出的是 20 世纪 80 年代到 90 年代发展起来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术，对现今卫星通信、移动通信、全数字 HDTV 传输、通用高速有线/无线接入，编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页 共21页第 2 页 共 21 页乃至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用，发挥了重要作用。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。一、无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历一、无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段了五个阶段第一阶段为 20 年代初至 50 年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现 150MHZVHF 单工汽车公用移动电话系统 MTS。第二阶段为 50 年代到 60 年代，此时频段扩展至 UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为 70 年代初至 80 年代初频段扩展至 800MHZ，美国 Bell 研究所提出了蜂窝系统概念并于 70 年代末进行了 AMPS 试验。第四阶段为 80 年代初至 90 年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进；此时出现了 D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS 等各类系统与业务运行，频段扩展至900MHZ1.9GHZ，而且除公众蜂窝电话通信系统外，无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统、无中心多信道选址移动通信系统等各类移动通信手段适应用户市场需求同时兴起并各显神通。第五阶段为 90 年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。对于第三代移动 TMT-2000 纷纷参与标准的制定，经多次融合努力在 1999 年 10 月 25 日至 11 月 5 日芬兰赫尔辛基召开的ITU-RTG8/1 第 18 次会议上 5 类 RTT 技术标准共 6 种方案成为最终结果。中国的TD-SCDMA 方案也已成为其中之一。应该指出，UTRAWCDMADS 及 TIAcdma2000MC的相应起步样机已经诞生，包括以 GSM、csmaOne 后向兼容为基础的第二代半过渡设备（G）EDGE、cdmaIS-95BHDR（2.4Mbit/s 峰值速率，64QAM 调制）及cdma2000-1X 等亦已推出。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页 共21页第 3 页 共 21 页此外，为接续 Internet 移动游览应用的无线应用协议（WAP）与无线连接技术蓝牙（Bluetooth）已经产生。从网络的角度来看，接入网可分成有线接入网和无线接入网、光缆同轴混合接入网、铜线电缆、对绞线、电话（一般为铜线）接入网等等；无线接入技术是近些年迅速发展起来的新技术领域，它从概念上产生了一个重大的飞跃，即不需要缆线类物理传输媒质而采用无线传播手段来代替部分接入网甚至入网的全部，从而达到降低成本、提高灵活性和扩展传输距离的目的。无线接入网品种繁多，如移动卫生系统，蜂窝移动通信系统，集群通信系统，一点到多点微波通信系统，微波蜂窝的无线本地接入系统（PHS、PAS、PACS、DECT）等。短距离之内的接入技术主要有蓝牙（Bluetooth）、红外线、DECT、IEEE802.11 和共享无线接入协议（SWAP）/HomeRF 等系统。继广域网（WAN、Wind、AreaNetwork 或城域网，MAN，MetropolitanAreaNetwork）、局域网（LAN，LocalAreaNetwork）之后，最近人们又提出了“无线个域网”（WPAN、WirelessPersonalAreaNetwork）。这一新概念将小范围应用提升至网络理论的高度。在短短的时间，WPAN 成为一个受人瞩目的新热点，WPAN 的研究组成立不到 1 上，就演变为 IEEE 的专门工作组 IEEE802.5（即 WPANWorkingGroup，于 1999年 3 月成立），可见其受重视的程度。比较而言，Bluetooth 系统更具有代表性，它正根据 WPAN 的概念向前发展。事实上，Bluetooth 和 WPAN 的概念相辅相成，Bluetooth 已经是 WPAN 的一个雏形。从它最初由 Ericsson，IBM，Inter，Nokia和 Toshiba 公司作为原始发起组织而推出，1 年多时间已吸引了近 2000 个国际上有影响的公司参与。1999 年底，美国的 4 家公司 3COM，Lucent，Microsoft 和 Motorola，与上述 5 公司一样作为 Bluetooth 的发起组织，使它在与 SWAP、IEEE802.11 等类似应用标准的竞争中脱颖而出，发展前景更加明朗。为了推动 Bluetooth 的发展，Bluetooth 的标准是非专利的，Bluetooth 已成为目前通信领域的一个新热点，预计不远的将来就可成为小范围无线多媒体通信的国际标准。总之，无线通信技术前景一片光明。二、我国无线通信技术的发展二、我国无线通信技术的发展当前，中国是世界各国通信技术运营商和设备制造商关注的焦点，大家都希望在中国的市场上占有自己的发展空间和市场份额。移动通信在中国发展十分迅速，中国移动通信的走向一直为世人所瞩目。1987 年 11 月，我国广东正式开通编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页 共21页第 4 页 共 21 页了第一个 TACS 制式模拟蜂窝移动通信系统，实现了移动电话用户“零”的突破。1994 年底，广东又首先开通了 GSM 数字蜂窝移动通信系统，至 1995 年，全国已15 个省、市也相继开通了 GSM 移动通信网。迄今为止，全国各省、自治区、直辖市面上都建设了 GSM 网，实现了国内和国际的全自动漫游。目前我国正在积极准备在 21 世纪初期开展第三代移动通信的商用试验。从 1987 年至今，我国移动电话用户数的增长很快，尤其是 GSM 网更是以人们始料不及的速度在迅猛发展。这主要是因为 GSM 系统在技术和经济方面均比TACS 系统有较大的优势，更重要的是我国在 GSM 运营领域引入了竞争机制，促进了 GSM 网的发展。我国的移动通信用户已超过了 8000 万，位居世界第二。近 10 年来，我国在移动通信领域的科研、设备生产等方面也取得了可喜的进步。国产移动通信设备交换系统、基站和手机等都已经投入生产，并陆续投放市场，第三代移动通信系统的开发和研究也正与世界同步。可见，中国无线通信在运营业与制造业上已取得了第一阶段的成功。三、今后无线通信技术的趋势三、今后无线通信技术的趋势21 世纪的电信技术正进入一个关键的转折时期、未来十年将是技术发展最为活跃的时期。信息化社会的到来以及 IP 技术的兴起，正深刻的改变着电信网络的面貌以及未来技术发展的走向。未来无线通信技术发展的主要趋势是宽带化、分组化、综合经、个人化、主要特点体现为以上几个方面：（一）宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一。随着光纤传输技术以及高通透量网络节点的进一步发展，有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开，而无线通信技术也正在朝着无线接入宽带化的方向演进，无线传输速率将从第二代系统的 9.6Kbit/s 向第三代移动通信系统的最高速率 2Mbit/s 发展。（二）核心网络综合化，接入网络多样化。未来信息网络的结构模式将向核心网/接入网转变，网络的分组化和宽带化，使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能，网络的综合化以及管制的逐步开放和市场竞争的需要，将进一步推动传统的电信网络与新兴的计算机网络的融合。接入网是通信信息网络中最具开发潜力的部分，未来网络可通过固定接入、移动蜂窝接入、无线本地环路入等不同的接入设备，接入核心网实现用户所需的各种业务。在技术上实现固定编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第5页 共21页第 5 页 共 21 页和移动通信等不同业务的相互融合，尤其是无线应用协议（WAP）的问世，将极大地推动无线数据业务的开展，进一步促进移动业务与 IP 业务的融合。（三）信息个人化是下世纪初信息业进一步发展的主要方向之一。而移动IP 正是实现未来信息个人化的重要技术手段，在手机上实现各种 IP 应用以及移动 IP 技术正逐步成为人们关注的焦点之一。移动智能网技术与 IP 技术的组合将进一步推动全球个人通信的趋势。（四）移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，随着网络中数据业务量主导地位的形成，现有电路交换网络向 IP 网络过渡的趋势已不可阻挡，IP 技术将成为未来网络的核心关键技术，IP 协议将成为电信网的主导通信协议。随着移动通信通用分组无线业务（GPRS）的引入，用户将在端到端分组传输模式下发送和接收数据，打破传统的数据接入接式。以 IP 为基础组网，开始了移动骨干网 IP 应用的实践。四、无线通信技术在数字社区中的应用四、无线通信技术在数字社区中的应用无线通信技术的发展为实现数字化社区提供了有力的保证，数字化社区提供了有力的保证。数字化社区的特点是信息的交流非常的广泛和方便，无论是实验室、办公室还是家庭，计算机及其外设的应用越来越普及，社区中的设备也都有电脑控制。如果它们之间的通信仍然采用有线方式的话，这将给使用带来很大的不便。Bluetooth 技术为我们建立一个全无线的工作环境和生活环境，Bluetooth标准已制定了和计算机以及与 Internet、PSTN、ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork）、LAN、WAN、xDSL（xDigitalsubscriberloop）等网络的接口协议，其目标是用单一的 Bluetooth标准来建立起和众多国际标准的连接。目前它用 1Mb/s 的速率已完全可以胜任这些工作，将来根据 IEEE802.15 的发展计划,可以将速率提高到 20Mb/s 以上。我们可以使用无线电缆来连接办公室和家庭中的电子设备，甚至包括键盘、鼠标等也采用无线传输。我们拥有一个无线公务包，以便携计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设备或网络相连接，使我们拥有一个可流动的办公室。Internet 和移动通信的迅速发展，使人们对电脑以外的各种数据源和网络服务的需求日益增长。数字照相机、数字摄像机等设备装上 Bluetooth 系统，既可免去使用电缆的不便，又不可不受内存溢出的困扰，随时随地可将所摄图片或编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第6页 共21页第 6 页 共 21 页影像通过同样装上 Bluetooth 系统的手机或其他设备传回指定的计算机中。PDA（PersonalDigitalAssistant）装上 Bluetooth 系统后，采用无线方式收、发E-mail 甚至浏览网页将更为方便。Bluetooth 的硬件电路可以做到微型化，在Headset 上应用非常合适。装上 Bluetooth 系统的 Headset 可以使它和手机进行无线连接，也可以使人在小范围内自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召开电话会议。微型化、低功耗和低成本的特性给 Bluetooth 在人们日常生活中的应用开拓了近乎无限的空间。例如，Bluetooth 构成的无线电电子锁比其它非接触式电子锁或 IC 锁具有更高的安全性和适用性，各种无线电遥控器（特别是汽车防盗和遥控）比红外线遥控器的功能更强大，在餐馆酒楼用膳时菜单的双向无线传输或招呼服务员提供指定的服务（如添茶、加饮料等）将更为方便等。利用蓝牙做出来的传感器可以随时监视家庭中的冰箱存量的变化，从而随时反映出用户所需要的物品，如果再连接到 Internet 上的话，可以实现网上购物。未来的信息家电将以 Internet 和家庭网络为基础、以无线连接实现双向传输，是具有一定智能的 3C（Computer、Communication 和 Consumer）相融合的信息产品。以蓝牙技术设计的数字手机、家庭及办公室电话、小型 PBX 等电话系统，实现了真正意义上的个人通信。蓝牙提供了低成本、低功耗的无线接入式，顺应了现代通信技术和应用的发展潮流，在信息家电和移动通信等方面具有巨大的发展潜力。蓝牙技术自提出以来，在短短的 2 年内已风靡全球。根据市场调查和预测，1999年蓝牙技术的产品全球销量几乎为零，2000 年猛增到 3670 万美元，2001 年将在到 1.26 亿美元，2006 年可达到 6.99 亿美元；2002 年，全球使用蓝牙技术的计算机外围设备将达到 1.5 亿台，使用蓝牙技术笔记本电脑将达到 2500 万部；2003 年全球90%以上的笔记本电脑将使用蓝牙技术，2006 年全球将推出 6.7 亿台使用蓝牙技术的信息家电。回顾无线通信的发展历程，个人通信的移动性与无缝隙覆盖多媒体综合业务需求将愈来愈突出。频谱延伸至毫米波、亚毫米波的电磁“无线光纤”乃至激光与粒子通信范畴的无线通信将有愈来愈广阔的活动舞台及光明的发展前景。市场是发展的驱动力。尽管我国的移动通信和互联网发展十分迅速，但我国目前的移动电话和网络用户普及率还很低，面对我国 12 亿人口，我国在网络规模和容量方面有很大的发展空间。同时，竞争局面的形成，促使运营企业积极拓展新业务、编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第7页 共21页第 7 页 共 21 页新应用，向用户提供丰富的选择，以满足用户多方面、多层次的需求。因此，在移动通信和互联网上的应用开发也有很大的发展潜力。我们要积极促进无线领域的科技进步、技术创新，为实现科教兴国战略，增强中华民族的综合国力，为全球信息化及经济全球化环境下的国际社会与全人类的发展而积极贡献力量。第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪 80 年代。Nordic 移动电话（NMT）就是这样一种标准，应用于Nordic 国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS），英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的 JTAGS，西德的 C-Netz，法国的Radiocom 2000 和意大利的 RTMI。模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。第二代移动通信技术（2G）引入数字无线电技术组成的数字蜂窝移动通信系统，提供更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。当今世界市场的第二代数字无线标准，包括 GSM、D-AMPS。PDC（日本数字蜂窝系统）和 IS-95CDMA 等，均仍然是窄带系统。现有的移动通信网络主要以第二代的 GSM 和 CDMA 为主，采用 GSM GPRS、CDMA 的 IS-95B 技术，数据提供能力可达 115.2kbits，全球移动通信系统（GSM）采用增强型数据速率（EDGE）技术，速率可达 384kbits。第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G 服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百 kbps以上。目前 3G 存在三种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA。2009 年初放牌二二 无线传感器网络技术发展现状无线传感器网络技术发展现状无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络 3 个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。1 1 无线传感器网络技术发展背景无线传感器网络技术发展背景编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第8页 共21页第 8 页 共 21 页1996 年，美国 UCLA 大学的 William J Kaiser 教授向 DARPA 提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代 WSN 网络的序幕。1998 年，同是 UCLA 大学的 Gregory J Pottie 教授从网络研究的角度重新阐释了 WSN 的科学意义。在其后的 10 余年里，WSN 网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将 WSN 网络列为 21 世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的 10 大技术之一。1.11.1 WSNWSN 相关的会议和组织相关的会议和组织WSN 网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到 2003 年，各种与无线通信、Ad Hoc 网络、分布式系统的会议开始大量收录与 WSN 网络技术相关的文章。2001 年，美国计算机学会(ACM)和 IEEE 成立了第一个专门针对传感网技术的会议 International Conference on InformationProcessing in Sensor Network(IPSN)，为 WSN 网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003 年到 2004 年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM 在 2005年还专门创刊 ACM Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004 年，Boston 大学与 BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems 等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进 WSN 技术的开发。2006 年 10 月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国 WSN 技术研究开始进入一个新的历史阶段。1.21.2 相关科研和工程项目相关科研和工程项目美国从 20 世纪 90 年代开始，就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(Smart Dust)、?滋 AMPS、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的 WSN 网络研究项目。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第9页 共21页第 9 页 共 21 页自 2001 年起，美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行 WSN 网络技术研究，并在 C4ISR 基础上提出了 C4KISR 计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把 WSN 网络作为一个重要研究领域，设立了 Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量 WSN 网络的基础理论和关键技术的研究。美国的一些大型 IT 公司(如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments 等)通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及 WSN 网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。Dust Networks 和 Crossbow Technologies 等公司的智能尘埃、Mote、Mica 系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段。除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。中国现代意义的 WSN 网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在 1999 年发表的中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中。2001 年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从 2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008 年底，中国国家自然基金共支持面上项目 111 项、重点项目 3 项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目 30 余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立 2 项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来 20 年技术预见研究”编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第10页 共21页第 10 页 共 21 页提出的 157 个技术课题中有 7 项直接涉及无线传感器网络。2006 年初发布的 国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了 3 个前沿方向，其中 2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008 年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第 6 个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进 WSN 网络技术在应用领域的快速发展。1.31.3 WSNWSN 技术的成熟度分析技术的成熟度分析Gartner 信息技术研究与咨询公司从 2005 年到 2008 年对 WSN 网络的技术追踪和评估。2005 年，Gartner 认为 WSN 技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观，认为该技术将在 25 年内走向成熟。2006 年，Gartner 的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些；而到了 2007 年，Gartner 发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是 10 年以上。超过 5 年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看，WSN 技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner 的 2008 年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期；其次，能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和；再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第11页 共21页第 11 页 共 21 页些关键的支撑技术上有所突破；另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，WSN 技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了 WSN 技术的市场化进程。中国必将在 WSN 技术和市场推进中发挥重要作用。2 2 WSNWSN 技术体系及其发展现状技术体系及其发展现状WSN 技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN 技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN 技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量(功率)供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统所必须的设计和优化的技术要点。2.12.1 核心关键技术核心关键技术2.1.1 组网模式在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。(1)扁平组网模式所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由(Direct Diffusion)研究的就是这种网络结构。(2)基于分簇的层次型组网模式节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第12页 共21页第 12 页 共 21 页节点因为过渡消耗能量而死亡。(3)网状网(Mesh)模式Mesh 模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。AkyildizL F 等1总结了无线 Mesh 网络的应用模式。(4)移动汇聚模式移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim 等2提出的 SEAD 分发协议就是针对这种组网模式。Bi Y 等3-4研究了多种 Sink 的移动汇聚模式。此外，还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的 Mesh 网络进行数据通信(移动产生的通信机会)，可形成目前另一个研究热点，即机会通信模式。2.1.2 拓扑控制组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现 WSN 网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制 3 种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构间切换；空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果；逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。WSN 技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第13页 共21页第 13 页 共 21 页Kumar S等5研究了在睡眠唤醒进行能耗控制的网络中实现k 连通的条件。Chen Ai 等6研究了栅栏(边界)防护应用中的拓扑覆盖问题。Li X7则通过图理论研究无线网络的拓扑控制算法。Wang X、Ye F、Schurgers C 和 Lu G等学者8研究了如何利用连通的骨干网络减少网络活动开销，延长网络生命周期问题。2.1.3 媒体访问控制和链路控制媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点，乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量，减低能耗的目的。要实现拓扑控制中的时间和空间控制，WSN 的 MAC 层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。Ye W 等9提出了 WSN 最经典的基于睡眠的 MAC 协议S-MAC；Ahn G-S等10研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应；Rajendran V 等11研究了 WSN 中无竞争访问的高能效方法；Zhai H12和 Kim Y13等则研究了基于多射频、多信道的 MAC 协议。MAC 控制是 WSN 最为活跃的研究热点，因为 MAC 层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同，短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多，因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。Ganeson D 等14，Zhao J 等15通过大量的实验验证了过渡区的存在；Zuniga M 等16分析了过渡区的成因。复杂的链路特征需要在 MAC控制中更充分地考虑链路特性，Zhu H 等17研究了适应链路特性的多链路 MAC控制机制。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。2.1.4 路由、数据转发及跨层设计WSN 网络中的数据流向与 Internet 相反：在 Internet 网络中，终端设备主要从网络上获取信息；而在 WSN 网络中，终端设备是向网络提供信息。因此，WSN 网络层协议设计有自己的独特要求。由于在 WSN 网络中对能量效率的苛刻要求，研究人员通常利用 MAC 层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第14页 共21页第 14 页 共 21 页另外，网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点，因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层研究的重点。网络编码技术也是提高网络数据转发效率的一项技术。在分布式存储网络架构中，一份数据往往有不同的代理对其感兴趣，网络编码技术通过有效减少网络中数据包的转发次数，来提高网络容量和效率。2.1.5 QoS 保障和可靠性设计QoS 保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。QoS保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制，将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络，而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变，造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键研究内容之一。2.1.6 移动控制模型随着 WSN 组织结构从固定模式向半移动乃至全移动转换，节点的移动控制模型变得越来越重要。Luo J 等18指出，当汇聚节点沿着网络边缘移动收集可以最大限度地提高网络生命周期；Bi Y 等提出了多种汇聚点移动策略，根据每轮数据汇聚情况，估计下一轮能够最大延长网络生命期的汇聚点位置。ButlerZ 等针对事件发生频度自适应移动节点的位置，使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方，从而分担事件汇报任务，延长网络寿命。2.22.2 关键支撑技术关键支撑技术2.2.1 WSN 网络的时间同步技术时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制时钟噪声和漂移。最近，利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注，这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第15页 共21页第 15 页 共 21 页2.2.2 基于 WSN 的自定位和目标定位技术定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。节点自定位是指确定网络中节点自身位置，这是随机部署组网的基本要求。GPS 技术是室外惯常采用的自定位手段，但一方面成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效。传感器网络更多采用混合定位方法：手动部署少量的锚节点(携带 GPS 模块)，其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计。目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上。2.2.3 分布式数据管理和信息融合分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的 WSN 网络的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。在整个体系中，WSN 网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态的监测。信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量；另一方面可以通过贝叶斯