無線傳感器網絡技術的軍事應用

摘要：信息化戰爭對戰場信息的獲取提出了高時效性、高可靠性等亟待解決的要求。通過對無線傳感器網絡的結構和特點的深入分析認為，無線傳感器技術可以在戰場偵查與監控、目標定位、毀傷效果*估、核生化監測等軍事應用領域發揮巨大的作用，實現戰場的快速布控、戰場信息的實時采集處理與傳輸，從而極大地提高指揮系統的戰場感知能力，滿足信息化戰爭對信息獲取的需求。

引言

　　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域中被監測對象的信息，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、醫療、交通、環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，被美國《技術*論》雜志*選為未來10種改變世界的新興技術的第1位。

　　由于WSN的探測節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爭的形態下，具有廣闊的軍事應用前景。

　　美國國防部及各軍事研究部門對WSN技術都給予了高度重視，在C4ISR基礎上提出了C4KISR計劃，強調基于WSN技術的戰場情報感知能力、信息綜合能力和信息利用能力。作為很有代表性的WSN軍事應用研究項目，“智能灰塵(Smart DuST)”和“沙地直線(A Line in the Sanel)”也取得了令人矚目的研究成果。“智能塵埃”的設計思想是，在戰場上拋撒數千個具有計算能力和無線通信功能的低成本、低功耗超微型傳感器模塊并組成網絡，用于監控敵人的活動情況，并將采集到的原始數據進行簡單處理后發送回指揮部。“沙地直線”是國防高級研究計劃局的資助下開發的一種WSN系統。該系統可將探測節點散布到整個戰場，偵測戰區內高金屬含量的運動目標。歐洲，德國、芬蘭、意大利、法國、英國等國家的研究機構也紛紛開展了WSN技術基礎理論與軍事應用的相關研究工作。日本與韓國甚至將建設WSN系統提升到國家戰略高度。

　　我國目前的WSN技術研究已具初步規模，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系統主要由信息管理節點、匯聚節點(Sink Nocle)、傳感器節點(Sensor Node)和相關網絡構成。

　　傳感器節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域中感知對象的信息，并發送到匯聚節點。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，傳感器節點采集到的數據沿著其他傳感器節點逐跳傳輸到匯聚節點。一個WSN系統通常有數量眾多的體積小、成本低的傳感器節點。

　　匯聚節點和傳感器節點構成了底層數據采集和傳輸的網絡系統，雖然單個節點功能有限，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點相互協作，構成一個具有高度抗毀性的網絡系統，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。

　　匯聚節點通過通信衛星或其他其通信網絡，將監測數據傳輸到管理節點。管理節點通過對整個系統的配置和管理，實現對系統中各節點監測任務的發布和監測數據的收集與處理。WSN典型結構如圖1所示。

　　1．2 WSN的特點

　　WSN具有諸多其他信息探測系統和網絡系統所不具備的獨特優勢，同時也具有一定局限性。

　　1．2．1 優 勢

　　(1)生存能力強

　　WSN密集分布在監測區域的大量傳感器節點地位平等，沒有嚴格的控制中心。每個傳感器節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。當某些傳感器節點由于環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點之間可以協調互補，動態連接成新的網絡系統，保證部分傳感器節點的損壞不會影響到全局任務。因此，WSN在惡劣的戰場環境下有著很強的生存能力。

　　(2)精確性和可靠性高

　　由于WSN系統可以在監測區域大量布設低成本的傳感器節點，使得傳感器節點能夠與探測目標近距離地接觸，極大地消除了環境噪聲對系統性能的影響。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測對象進行監測，而多節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域，從而提高監測準確性，克服衛星和雷達這類獨立系統的技術難題。

　　WSN系統中傳感器節點的大規模部署，使WSN通常具有較高的節點冗余、網絡鏈路冗余以及采集數據冗余，為整個系統提供了很強的容錯能力。此外，借助傳感器節點中個別具有移動能力的節點對網絡拓撲結構進行調整，可以有效地消除探測區域內的陰影和肓點，進一步降低環境噪聲和提高探測的準確性。

　　(3)自組織能力強

　　WSN是一個節點對等網絡，每個節點都具有路由功能，網絡中不存在嚴格的中心控制節點。其工作的展開不依賴于任何預設的網絡基礎設施，節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是一個動態的網絡，網絡內的節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點，快速形成新的網絡并繼續原來的丁作，無需外界幫助。