無線傳感器網絡(wireless Sensor Networks，WSN)是由一組隨機分布的，集傳感器、數據處理單元和通信模塊于一體的微型傳感器，以自組織方式構成的無線網絡。其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息，并傳送給信息獲取者。WSN技術綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、網絡技術、分布式信息處理技術和通信技術，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用價值，正受到各技術和軍事強國越來越多的關注。
由于WSN的探測節(jié)點可以通過飛機播撒或人工布置等方法大量部署于感知對象的附近，不斷獲得感知對象的各種信息，為軍事指揮員的決策提供第一手信息資料，因此在當代信息化戰(zhàn)爭的形態(tài)下，具有廣闊的軍事應用前景。
我國目前的WSN技術研究已具初步規(guī)模，但對于WSN技術的軍事應用研究尚處于起步階段。
1 WSN的構成與特點
1．1 WSN的構成
典型的WSN系統(tǒng)主要由信息管理節(jié)點、匯聚節(jié)點(Sink Nocle)、傳感器節(jié)點(Sensor Node)和相關網絡構成。
傳感器節(jié)點由部署在感知對象附近大量的廉價微型傳感器模塊組成，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送到匯聚節(jié)點。各模塊通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)，傳感器節(jié)點采集到的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸到匯聚節(jié)點。一個WSN系統(tǒng)通常有數量眾多的體積小、成本低的傳感器節(jié)點。
匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點構成了底層數據采集和傳輸的網絡系統(tǒng)，雖然單個節(jié)點功能有限，采集的數據也不夠準確，但是大量具有一定計算能力、存儲能力和通信能力的節(jié)點相互協作，構成一個具有高度抗毀性的網絡系統(tǒng)，其采集數據的精度和廣度得以很大提升，傳回的數據完全能夠作為用戶決策的參考。
匯聚節(jié)點通過通信衛(wèi)星或其他其通信網絡，將監(jiān)測數據傳輸到管理節(jié)點。管理節(jié)點通過對整個系統(tǒng)的配置和管理，實現對系統(tǒng)中各節(jié)點監(jiān)測任務的發(fā)布和監(jiān)測數據的收集與處理。WSN典型結構如圖1所示。
圖1
1．2 WSN的特點
WSN具有諸多其他信息探測系統(tǒng)和網絡系統(tǒng)所不具備的獨特優(yōu)勢，同時也具有一定局限性。
1．2．1 優(yōu)勢
(1)生存能力強
WSN密集分布在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點地位平等，沒有嚴格的控制中心。每個傳感器節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，而不會影響整個網絡的正常運行。當某些傳感器節(jié)點由于環(huán)境干擾或人為破壞而不能正常工作時，隨機分布的大量傳感器節(jié)點之間可以協調互補，動態(tài)連接成新的網絡系統(tǒng)，保證部分傳感器節(jié)點的損壞不會影響到全局任務。因此，WSN在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下有著很強的生存能力。
(2)精確性和可靠性高 由于WSN系統(tǒng)可以在監(jiān)測區(qū)域大量布設低成本的傳感器節(jié)點，使得傳感器節(jié)點能夠與探測目標近距離地接觸，極大地消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響。通過多種傳感器的混合應用，可以在提高探測性能指標的同時從不同空間視角對監(jiān)測對象進行監(jiān)測，而多節(jié)點聯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時探測區(qū)域，從而提高監(jiān)測準確性，克服衛(wèi)星和雷達這類獨立系統(tǒng)的技術難題。
WSN系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的大規(guī)模部署，使WSN通常具有較高的節(jié)點冗余、網絡鏈路冗余以及采集數據冗余，為整個系統(tǒng)提供了很強的容錯能力。此外，借助傳感器節(jié)點中個別具有移動能力的節(jié)點對網絡拓撲結構進行調整，可以有效地消除探測區(qū)域內的陰影和肓點，進一步降低環(huán)境噪聲和提高探測的準確性。
(3)自組織能力強
WSN是一個節(jié)點對等網絡，每個節(jié)點都具有路由功能，網絡中不存在嚴格的中心控制節(jié)點。其工作的展開不依賴于任何預設的網絡基礎設施，節(jié)點開機后就可以通過自我協調、自動布置，快速、自動地組成一個獨立的網絡。
(4)可擴展性強
WSN是一個動態(tài)的網絡，網絡內的節(jié)點隨時可能因為種種原因退出或加入網絡。此時，原有的WSN可以有效地容納或剔除變化的節(jié)點，快速形成新的網絡并繼續(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)點構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)點體積微小，一般依賴能量有限的電池供電。其特殊的應用領域和大規(guī)模的應用數量，決定了使用過程中無法對其進行能量更新，一旦電池耗盡該節(jié)點便隨即“死亡”。因此，在WSN設計過程中如何提高能量使用效率和節(jié)點生命周期，是需要考慮的首個重要因素。
(2)硬件資源的有限性
WSN系統(tǒng)對傳感器節(jié)點這種需要大規(guī)模部署的微型嵌入式系統(tǒng)的要求非常高，包括體積小、價格低、功耗小等。受這些要求的限制，傳感器節(jié)點的計算能力、程序空間和內存空間非常有限，同時面向WSN的算法計算設計也要盡可能簡單，易于在傳感器節(jié)點上實現。
(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)點的能耗將急劇增加。受能量因素的約束，節(jié)點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，受外界地理條件、自然環(huán)境等的影響，無線通信性能可能經常變化，會頻繁出現通信中斷等現象，這也使WSN系統(tǒng)的通信能力受到很大的限制。
2 傳感器網絡在軍事中的應用
信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場信息的及時獲取和反應對于整個戰(zhàn)局的影響至關重要。由于WSN具有生存能力強、探測精度高、成本低等特點，非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，執(zhí)行戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控、目標定位、戰(zhàn)爭效能*估、核生化監(jiān)測以及國土安全保護、邊境監(jiān)視等任務。
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)場上布設大量的WSN，以收集和中繼信息，并對大量的原始數據進行過濾；然后把重要信息傳送到數據融合中心，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，大大提升指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知水平。
典型的WSN應用方式是用飛行器將大量微傳感器節(jié)點散布于戰(zhàn)場地域，并自組成網，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)點傳輸的數據內容，將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等相關信息，以及其他WSN的信息相互融合，向戰(zhàn)場指揮員提供一個動態(tài)的、實時或近實時更新的戰(zhàn)場信息數據庫，為各作戰(zhàn)平臺更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據和服務，使情報偵察與獲取能力產生質的飛躍。
對戰(zhàn)場的監(jiān)控可以分為對己方的監(jiān)控和對敵方的監(jiān)測，包括軍事行動偵察與非軍事行動的監(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)點送至指揮所，同時融合來自戰(zhàn)場的其他信息，可以形成己方完備的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，幫助指揮員及時準確地了解*、武器裝備和軍用物資的部署和供給情況。
通過飛機或其他手段在敵方陣地大量部署各種傳感器，對潛在的地面目標進行探測與識別，可以使己方以遠程、精確、低代價、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，并根據戰(zhàn)況快速調整和部署新的WSN，及時發(fā)現敵方企圖和對我方的威脅程度。通過對關鍵區(qū)域和可能路線的布控WSN，可以實現對敵方全天候的嚴密監(jiān)控。
2．2 目標定位
WSN中感知目標信息的節(jié)點將感知信息廣播(無線傳送)到管理節(jié)點，再由管理節(jié)點融合感知信息，對目標位置進行判斷的過程稱為目標定位。目標定位是WSN的重要應用之一，為火力控制和制導系統(tǒng)提供精確的目標定位信息，從而實現對預定目標的精確打擊。
由于WSN具有擴展性強、實時性和隱蔽性好等特點，使得它非常適合對運動目標進行跟蹤定位，為指揮中心提供被跟蹤對象的實時位置信息。WSN的目標定位應用方式可以分為偵測、定位、報告三個階段。在偵測階段，每個傳感器節(jié)點隨機“啟動”以探測可能的目標，并在目標出現后計算自身到目標的距離，同時向網絡廣播包括節(jié)點位置及與目標的距離等內容的信息。在定位階段，各節(jié)點根據接收到的目標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，獲得目標的位置信息，然后進入報告階段。在報告階段，WSN會向距離目標較近的傳感器節(jié)點廣播消息，使之啟動并加入跟蹤過程，同時WSN將目標信息通過匯聚節(jié)點傳輸到管理節(jié)點或指揮所，實現對目標的精確定位。
2003年美國國防高級研究計劃局主導的Network Embed and System Technology項目成功驗證了WSN技術的準確定位能力。該項目采用多個廉價音頻傳感器節(jié)點協同定位敵方狙擊手，并標識在所有參戰(zhàn)人員的個人計算機中，三維空間的定位精度可達1．5 m，定位延遲達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)勢感知能力產生了質的飛躍。
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