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基于超寬帶技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( 二 )

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1.1; 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
圖1給出了一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括分布式傳感器節(jié)點(群)、接收發(fā)送器(Sink)、互聯(lián)網(wǎng)(或衛(wèi)星等)和任務(wù)治理界面等[1] 。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本組成包括4個基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲器和嵌入式操作系統(tǒng)等)、無線通信單元以及電源 。另外，可以選擇的其他功能單元有：電源自供電系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等 。



對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò) 。圖3給出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和傳感器網(wǎng)絡(luò)治理模塊組成 。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成；網(wǎng)絡(luò)治理模塊包括能量治理、拓?fù)渲卫?、Qos控制、移動性治理和網(wǎng)絡(luò)安全等 。
1.2; 網(wǎng)絡(luò)研究進展和應(yīng)用前景
在美國軍方、美國國家自然科學(xué)基金和一些跨國企業(yè)的支持下，美國在90年代初便開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā) 。其中，具有代表性的項目包括：1993—1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項目；1999—2001年間由DAPRA資助，UC Berkeley承擔(dān)的Smart Dust項目；1998—2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個機構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計劃；1999—2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等 。目前為止，已開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有：Berkeley Motes、Berkeley Piconodes、Sensoria WINS、MIT uAMPs、Smart Mesh Dust Mote、Intel iMote以及Intel Xscale Nodes等 。不同的節(jié)點設(shè)計針對不同的應(yīng)用場合，硬件大小、功耗、設(shè)計代價也不盡相同，但大部分的節(jié)點都支持TinyOS操作系統(tǒng) 。近年來，在中國國家自然科學(xué)基金、國家“863”計劃基金的支持下，中國的一些研究機構(gòu)也開始開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究，包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位 。

國內(nèi)外研究機構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，完全歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對社會生活的巨大影響 。表1總結(jié)歸納了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域 。


2 基于超寬帶技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，但是傳統(tǒng)的正弦載波通信由于其固有的組成以及一些無法克服的缺陷無法滿足傳感器節(jié)點低成本、低功耗、低設(shè)計復(fù)雜度、抗干擾等方面的要求 。超寬帶脈沖無線電技術(shù)是近年來發(fā)展迅猛，備受工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的新型通信技術(shù)，具備了許多正弦載波通信技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，能夠為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供高效合理的通信傳輸手段 。
2.1 收發(fā)信機和硬件電路成本、功耗、設(shè)計復(fù)雜度低
超寬帶通信技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的、新奇的無線傳輸技術(shù)，采用極窄脈沖或極寬的頻譜傳送信息 。整個收發(fā)信機不含有傳統(tǒng)的中頻和射頻電路，設(shè)計代價簡單，成本和功耗也遠遠低于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng) 。所以，基于超寬帶技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好的解決傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于體積、成本和功耗的難題，非凡適合于微小傳感器節(jié)點的設(shè)計要求 。另外，超寬帶無線通信技術(shù)在短距離的高數(shù)據(jù)傳輸能力，也為一些網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸大量數(shù)據(jù)和提供實時多媒體業(yè)務(wù)提供了便利 。超寬帶(UWB)和其他一些傳統(tǒng)低功耗無線通信模塊(如藍牙、Zigbee、TR系列等)相比，傳輸每比特信息UWB的功耗遠遠低于其他無線通信技術(shù)[2] 。
2.2; 空間傳輸容量大
在節(jié)點密度高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信技術(shù)的空間傳輸容量是一個非常重要的因素 。就單位面積的傳輸容量而言，超寬帶技術(shù)遠遠高于其他短距離無線通信 。因此，以超寬帶技術(shù)作為通信傳輸手段，更加適合于節(jié)點密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 。

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