构建无线传感器网络预警与探测系统设想
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作者: 陈矫
摘 要： 无线传感器网络实现从信息获取，到信息传输、处理，以及目标系统控制的一体化智能管理，是信息技术发展的更高阶段。研究无线传感器网络这一信息对抗新技术，对指导信息化建设具有十分重要的意义。
关键词： 传感器；无线；网络预警
中图分类号：S762.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210189－01
1 无线传感器网络概述
1.1 无线传感器网络的基本概念。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network），由大规模传感器节点组成，通过无线通信方式形成的多跳的、无分区、无基础设施支持的自组织网络。其中的节点是同构的，成本较低、体积较小，并且大部分节点不移动，被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。
随机分布在监测区域内的节点主要由传感器、数据处理单元、无线通信模块和能量供应模块组成。借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、温度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象；数据处理单元控制整个节点的操作、存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行通信，交换控制消息和收发采集数据，一般采用短距离的无线低功率通信技术；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。这些节点以自组织形式构成网络，所有传感器节点按照特定的路由将数据传送到Sink节点（汇聚节点），最终通过Sink链路将整个区域的数据传送到数据中心进行集中处理，Internet卫星链路均可用作Sink链路，也可通过位于监测区上空的无人机、高空飞艇等飞行平台回收Sink节点上的数据。
1.2 无线传感器网络的军事应用。由于无线传感器节点的体积小、价格低廉，可自组织网络，高容错、抗毁性、隐蔽性强，非常适合军事和重要战略目标上的应用，已经引起了世界许多国家的极大关注。美国国防部和各军事部门正逐渐将其武器系统研制的主要技术目标转向目标感知与定位，在C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报、侦察、监视）的基础上提出了C4KISR（K是杀伤Kill）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，把搜索并发现目标、跟踪与监视目标、识别目标、决策、持续识别、打击目标、战斗损伤评估这些功能形成一条强有力的“杀伤链”。可以预见，无线传感器网络能够协助实现有效的战场态势感知，满足作战力量“知己知彼”要求。主要包括敌情侦察、战场实时监视与损伤评估、目标跟踪与定位、核攻击和生化武器攻击的探测与侦察等功能。典型设想是用飞行器将大量微传感器结点散布在战场的多维空间，这些结点自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合，为各参战单位提供“各取所需”的情报服务。
2 构建无线传感器网络预警与探测系统的必要性
与传统单一传感器系统相比，WSN系统具有很多潜在优势：
2.1 适用范围广，不受环境限制。传统传感器系统的部署、配置、管理、运行和维护一般需要基础设施的支持和人的干预，系统的建立往往受到环境的限制。无线传感器网络无需服务器和路由器等固定基础设施的支持，每个传感器节点既独立又灵活，可自组织地构建自愈性多跳无线网络。而且，传感器节点具有成本低、体积小等特性，可大规模随机撒布，非常适合应用于恶劣的战斗环境中。
2.2 容错能力强，确保了较高的系统可靠性。卫星、雷达等传感器成本较高，节点规模小，系统可靠性受单一节点影响较大。无线传感器网络采用低成本、高冗余的设计原则，使其具备了较强的容错能力。即使一部分节点遭敌恶意攻击后损坏，系统能够检测出错的测量数据并舍弃故障节点重新建立路由。同时，借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，还可有效消除覆盖盲点。
2.3 信噪比高，探测性能好。环境噪声比探测信号的影响一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术难题。无线传感器网络节点可与探测目标近距离接触，可有效消除环境噪声对系统性能的影响。同时，采用数据融合技术将分布式节点中多角度、多方位和多种传感器的信息融合后，可进一步提高探测精准度。
2.4 隐蔽性强，不影响目标系统环境。由微型传感器节点组成的探测系统具有较好的隐蔽性能，特别是随着MEMS技术在无线传感器网络领域的应用，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的传感器节点的体积可微缩至尘埃般大小，抛撒后能悬浮空中、附着物体表面，不会扰乱目标系统环境，不易被发现，能更准确、可靠地采集到所需的信息数据。
3 构建无线传感器网络预警与探测系统的基本构想
构建无线传感器网络预警与探测系统，就是基于无线传感器网络技术建立空、天、海、地一体化的预警与探测系统，对多维战场空间内的各类目标尤其是运动目标进行探测，获取、处理和分发目标信息，及时准确地提供探测目标的位置、属性及战场态势等信息。系统由四部分组成：
3.1 无线传感器子网群。无线传感器子网群由各类不同性质和作用的单一无线传感器网络组成，其作用是在无线传感器网络管理系统的控制下利用高密度分布在空、天、海、地多维空间内的传感器节点收集和中继信息，并对相关原始数据进行过滤、融合，然后再把那些重要的信息传送到信息处理中心进行综合分析处理。根据所承担的任务来划分，该群包括由战略级传感器节点组成的战略预警子网络和由战术级传感器节点组成的战役战术预警子网络。根据探测对象的不同可分为地面传感器网络、海洋传感器网络和空中传感器网络等。
3.2 无线传感器网络管理系统。无线传感器网络管理系统主要用于控制由无线传感器子网群组成的庞大复杂的无线通信网络，以使其具有最高的效率和最可靠的工作性能，这一过程通常包括网络状态信息的收集、处理、和分析和网管动作等方面。按照无线传感器网络的特性，管理内容可划分为配置、维护、处理、通信和传感。其中，配置分为部署前和部署后两个阶段，部署前的配置工作主要包括应用需求和部署区域的确定，节点硬件的选择，网络服务的定义等；部署后的配置随应用的变化而变化，如节点程序的升级等。维护管理包括网络性能监测（如拓扑、节点能量等）、故障检测、故障诊断和恢复。处理管理主要是对传感器节点的内存和处理等有限资源进行合理的分配和调试。通信管理包括：根据传感器节点能力分配节点在通信中的角色（如簇首和一般节点）；根据应用环境设置通信模式（如单播和广播）。传感管理是指根据应用需求设置传感器的采样率以及数据采集模式（连续采集、周期性采集和按需采集等）。
3.3 信息处理中心。信息处理中心完成对各无线传感器子网传送来的数据的最终处理，形成各参战单位所需的不同格式和内容的情报信息。基本工作过程是：信息处理中心接收到各Sink节点传送来的数据后，首先进行分类、存贮，然后利用信息处理中心丰富的信息处理资源对传感器原始数据进行再融合再处理，最终形成各种不同用途上（如装备、人员的预警监视、战场环境成像、重要目标跟踪与定位、核攻击和生化武器攻击的探测与侦察等）的情报信息独立分发给各用户端。
3.4 用户终端。用户终端通常是一台接入无线传感器网络预警与探测系统的PC或PDA，主要通过两种模式获取情报信息：一是由传感器结点监测环境状态的变化或事件的发生，将发生的事件或变化的状态上报给管理中心，经处理后分发给对应的用户终端；二是用户终端上报情报信息需求，由网络管理系统控制传感器结点执行监测任务，返回相应的监测数据。
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