CN100596147C - 面向战场环境的无线传感网络及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及面向战场环境的无线传感网络及其实现方法，其网络是由若干无线传感器构建的多跳传感网络，每个传感器结点均集成有电子干扰模块、GPS模块、电子罗盘模块及无线网络互联模块；每个传感器结点上装备环境探测传感装置、爆破功能部件；部分传感器结点上装备移动装置，构成移动结点。各结点获取自身位置信息，并在网内广播；各可移动结点接收并存储网内其它结点的位置信息，通过计算本结点与其它所有结点之间的距离，得到不同区域结点分布密度，并根据移动策略进行位置调整；靠近敌方目标的结点在发现敌方目标后发布该信息，然后根据指令独立或协同对目标实施电子干扰或爆破攻击。本发明在军用应用中具有广阔的应用价值，可以用在战场信息感知、战场封锁、防御及进攻等过程中。

Description

面向战场环境的无线传感网络及其实现方法

技术领域

本发明有关无线传感网络，尤其是指针对战场环境的无线传感网络及其实现方法。

背景技术

战场环境中，对战场信息的收集起着相当重要的作用，当前利用无线传感网络进行信息获取，把握战场态势已经得到越来越多的重视。然而，传统的无线传感网络功能仅局限于信息的收集与传输，没有任何的对抗、攻击及防护能力，不能很好的满足战场环境的的要求。另外，由于战场环境的特殊性，在部署好无线传感结点后，对其进行人为位置调整，结点补充及回收都几乎不能实施，这极大地制约了网络通信能力、传输质量及资源的重复利用。同时，在战场环境下，如果信息收集处理不及时或不适当，就有可能失去主动权，造成极其重大的损失，在网络资源有限的情况下，如何及时准确地获取重要程度或紧急程度较高的信息也已成为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术的不足，提供一种面向战场环境的无线传感网络及其实现方法。它不仅能实现传统无线传感器网络所具有的信息采集、处理及传输功能，同时还具有以下主要特点：(1)无线传感网络可以自主协同完成攻击任务或者在人的监控下完成攻击任务，如对敌实施电子干扰、爆破攻击以及为我方实施信息掩护；(2)针对战场环境下无线传感结点一次性布置、不易补充及不可回收等特点，使部分结点具有一定移动能力，根据收集到的信息自调整位置，从而使整个网络性能尽可能最优；(3)在资源有限的情况下，优先传输重要程度或紧急程度较高的情报信息。

为完成本发明的目的，本发明采取的技术方案是：

一种面向战场环境的无线传感网络，是由在一定范围内布置的若干无线传感器构建的多跳传感网络，其中：每个传感器结点均集成有电子干扰模块、GPS模块、电子罗盘模块及无线网络互联模块；每个传感器结点上装备环境探测传感装置；每个传感器结点上装备爆破功能部件；部分传感器结点上装备行走装置，构成移动结点。

一种面向战场环境的无线传感网络的实现方法，包括以下步骤：

1)在一定范围内布置若干无线传感器，在每个无线传感器结点上集成电子干扰模块、GPS模块、电子罗盘模块及无线网络互联模块，在每个无线传感器结点上装备环境探测传感装置和爆破功能部件，在部分无线传感器结点上再装备行走装置，构成移动结点，将各无线传感器结点构建成多跳传感网络；

2)每个结点通过广播一个探测分组来发现邻居结点，收到的邻居结点回复应答消息；

3)每个结点构造链路状态分组，该分组的内容为该结点的标识、序列号、该结点发现的邻居数；

4)结点发布链路状态分组，网络中的其它结点在收到分组时，判断是否收到过此序列号的分组，如果是一个重复分组，则将它丢弃，如果一个分组的序列号小于当前所看到过的来自源结点的最大序列号，则被当作过时分组而拒绝；

5)各结点获取自身位置信息，并在网内广播；

6)各可移动结点接收并存储网内其它结点的位置信息，通过计算本结点与其它所有结点之间的距离，得到不同区域结点分布密度，并根据移动策略进行位置调整；

7)靠近敌方目标的结点在发现敌方目标后，发布该信息，然后根据指令独立或协同对目标实施电子干扰或爆破攻击。

在此基础上，本发明的无线传感网络具备对抗与防护功能，可以自主协同完成攻击任务或者在人的监控下完成攻击任务。其中，无线传感网络自主协同完成任务时，主要通过各种环境探测传感器(视觉、声音、压力、磁及温度等传感器)获取信息，各结点交互信息，进行协商及确认等工作，根据不同情况自主做出决策。而人为监控则可以通过无线传感网直接对某个(或某几个)传感器结点下达明确的指令，从而完成相应的任务。无线传感网络所具有的对抗与防护功能主要包括对敌实施电子干扰、爆破攻击以及为我方实施信息掩护。其中，电子干扰及防护可以通过GPS干扰模块进行实施。无线传感器功率很小，不能通过大功率电子脉冲对敌进行电子干扰，无线传感器结点上的GPS干扰模块只能完成局部小范围GPS信号干扰，因此，通过多个无线传感器结点协作，可以实施对特定区域的GPS信号干扰，从而实现对敌电子干扰及对我方的防护。另外，爆破攻击可以通过在无线传感器结点上安装并激活具有爆破功能部件来实现。各传感器协同工作，完成对战场态势的感知，根据不同情况自主协同完成对敌电子干扰、爆破等攻击任务，或者进行防御、掩护任务。同时，无线传感网络受我方实时控制，可以在人为监控条件下，执行各种战术任务。

针对战场环境下无线传感结点人为位置重调整，结点补充及回收不易实施等特点，使部分结点具有一定移动能力，其根据全局位置信息及无线信号强度等特征进行位置调整，在结点有限的情况下，使网络通信能力及质量得到提升，优化了网络整体性能。调整所消耗的能量将受比例阈值限制，从而保证了无线传感器结点的正常通信能力。

战场环境态势瞬息万变，本发明考虑到各种信息类型紧急性、重要性的不同，为其设定不同优先级，保证其及时准确的获取或传送，从而掌握战场主动权，如将我方控制信息设为最高优先级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明面向战场环境的无线传感网络，在支持信息收集、汇聚与传输的基础上，针对战场环境的特殊性，使无线传感网络具有对抗、防护及攻击的能力，将无线传感器网络与武器系统有机地融合在了一起，做到了战场环境下的“草木皆兵”。本发明赋予部分无线传感器结点移动能力，可以根据战场实际情况进行自动位置调整，优化了网络整体性能，同时，可以支持紧急信息的及时收集与传输，满足战场环境的要求。

总之，本发明在军用应用中具有广阔的应用价值，可以用在战场信息感知、战场封锁、防御及进攻等过程中。

附图说明：

图1是面向战场环境的无线传感网络功能模块图；

图2是无线传感器位置自动调整流程图；

图3是多优先级信息传输流程图；

图4是面向战场环境的无线传感网络应用示意图。

具体实施方式：

本发明的面向战场环境的无线传感网络，是由在一定范围内布置的若干无线传感器构建的多跳传感网络。其中：每个传感器结点均集成有电子干扰模块(如GPS干扰模块)、GPS模块、电子罗盘模块及无线网络互联模块；每个传感器结点上装备环境探测传感装置；每个传感器结点上装备爆破功能部件；部分传感器结点上装备行走装置，构成移动结点。

所述环境探测传感装置包括视觉传感器、声音传感器、压力传感器、磁传感器及温度传感器中的一部分或全部。

如图1所示，本发明的面向战场环境的无线传感网络不仅能实现传统无线传感器网络所具有的信息采集、处理及传输功能，同时还具有以下主要特点：(1)无线传感网络可以自主协同完成攻击任务或者在人的监控下完成攻击任务，如对敌实施电子干扰、爆破攻击以及为我方实施信息掩护；(2)针对战场环境下无线传感结点一次性布置、不易补充及不可回收等特点，使部分结点具有一定移动能力，根据收集到的信息自调整位置，从而使整个网络性能尽可能最优；(3)在资源有限的情况下，优先传输重要程度或紧急程度较高的情报信息。

下面叙述本发明的面向战场环境的无线传感网络的实现方法。

类似于链路状态协议，无线传感器结点首先要完成邻居结点发现的工作，结点只需广播一个探测分组，邻居结点再收到此分组时，回复应答消息来说明它是谁。然后，传感器结点需要构造链路状态分组，该分组的内容首先是结点标识，接着是一个序列号，以及刚才在第一步中发现的邻居数，此邻居数作为该结点的度。接着结点发布链路状态分组，为了控制扩散过程，每一个分组都包含一个序列号，序列号随着每一个新的分组而递增。网络中结点在收到分组时，判断是否收到过此序列号分组，如是一个重复分组，则将它丢弃。如果一个分组的序列号小于当前所看到过的来自源结点的最大序列号，则它将被当作过时分组而拒绝，因为该结点已经有了更新的数据。每个无线传感器结点都把自身及网络中其它结点的度相加，得出整个无线传感网络的度，当网络稳定后，各无线传感器结点计算出的度将是一致的。为了确保战场信息传输的稳定及可靠性，网络的度越大越好，这将做为下一步网络优化的目标。

如图2无线传感器位置自动调整流程图示，各结点通过GPS模块获取自身位置，并在网内广播。各可移动结点接收并存储网内其它结点位置信息，获得网络结点的全局分布，并计算出本结点与其它所有结点之间的距离，进一步能计算得到不同区域结点分布密度。以此数据为依据，根据不同的战场环境，可制定不同的移动策略。比如，向结点密度较小的方向移动，从而使无线网络的度增大，达到网络优化的目标。

在位置调整过程中结点不断判断自身能耗，如果能耗超过阈值则停止位置调整，以防止节点失效。如能耗没有超过阈值，则根据实际信号强度进行位置微调，直到达到预想效果或能耗超过阈值。

在无线传感网络正常工作过程中，当靠近敌方目标的结点在发现敌方目标后，便发布该信息，然后根据指令独立或协同对目标实施电子干扰或爆破攻击。

图3示意了无线传感网络多优先级信息传输流程，传感器结点从环境中采集或从网络中接收到信息后，根据信息的级别将其放入不同的队列中。结点将按级别从高到低处理信息队列直到队列为空，以保证高优先级信息得到优先处理。

下面再结合图4详细说明本发明。图4中由五个无线传感器自组构成无线传感网络，其中结点S4具有移动能力，可通过在底部安装行走装置(如全向滚轮或履带等)来实现。起始时，结点S4在位置A，S4与S5及S1均一跳可达，但S2、S3与S4不是一跳可达。各结点通过GPS设备获取位置信息，然后相互通告，S4由各结点位置信息分析判断B位置为其最佳位置，因为B位置离S1、S5为直线距离，且可与S2、S3一跳可达。于是S4向B位置移动，假设此场景中S4移动所耗能量没有超过阈值。由于B位置附近(图中B周围虚线圈示)为一凹地，S4到达B位置附近后，通过比较信号强度发现其与其余结点信号更弱甚至没有信号，为保证信号强度能正常通信，于是S4继续微调，经过一系列微调后，S4到达C位置，S4在此位置可与S1、S2、S3及S5均一跳可达，从而提高了网络通信能力，优化了网络性能。

在无线传感网络正常工作过程中，如图4所示，结点S1与S2在靠近敌方位置，S1与S2周围虚线圈表示了其进行GPS信号干扰的范围。当发现敌方目标T1后，S1与S2可根据战场实际情况及所采集的信息，自主协同对目标进行GPS信息干扰，可以实现对特定区域的干扰。如S1与S2同时启动干扰，或只有其中一个结点进行小范围干扰。这样，就既可以实现对敌信息干扰，又能大大降低功耗，延长传感器工作时间，同时可以避免大功率大范围信息干扰所带来的目标易暴露问题，降低了对我方的不利影响。

S1与S2会将这一信息通过无线传感网络传给指挥员M，指挥员M可以根据战术需要向S1、S2发送爆破指令。此指令级别高于战场收集到的其它信息，无线传感网络将优先转发此信息到S1与S2，从而保证在最短时间内完成战术任务。

以上所述仅是本发明面向战场环境的无线传感网络的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明面向战场环境的无线传感网络原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明面向战场环境的无线传感网络的保护范围。

Claims (4)

1.一种面向战场环境的无线传感网络的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在一定范围内布置若干无线传感器，在每个无线传感器结点上集成电子干扰模块、GPS模块、电子罗盘模块及无线网络互联模块，在每个无线传感器结点上装备环境探测传感装置和爆破功能部件，在部分无线传感器结点上再装备行走装置，构成移动结点，将各无线传感器结点构建成多跳传感网络；

2)每个结点通过广播一个探测分组来发现邻居结点，收到的邻居结点回复应答消息；

3)每个结点构造链路状态分组，该分组的内容为该结点的标识、序列号、该结点发现的邻居数；

4)结点发布链路状态分组，网络中的其它结点在收到分组时，判断是否收到过此序列号的分组，如果是一个重复分组，则将它丢弃，如果一个分组的序列号小于当前所看到过的来自源结点的最大序列号，则被当作过时分组而拒绝；

5)各结点获取自身位置信息，并在网内广播；

6)各可移动结点接收并存储网内其它结点的位置信息，通过计算本结点与其它所有结点之间的距离，得到不同区域结点分布密度，并根据移动策略进行位置调整；

7)靠近敌方目标的结点在发现敌方目标后，发布该信息，然后根据指令独立或协同对目标实施电子干扰或爆破攻击。

2.如权利要求1所述的面向战场环境的无线传感网络的实现方法，其特征在于：

可移动结点根据全局位置信息及无线信号强度进行位置调整，在结点有限的情况下，使网络通信能力及质量得到提升。

3.如权利要求1或2所述的面向战场环境的无线传感网络的实现方法，其特征在于：

在位置调整过程中，可移动结点不断判断自身能耗，如果能耗超过阈值则停止位置调整，如未超过阈值则根据实际信号强度进行位置微调，直到达到预想效果或能耗超过阈值。

4.如权利要求1所述的面向战场环境的无线传感网络的实现方法，其特征在于：

传感器结点从环境中采集或从网络中接收到信息后，根据信息的级别将其放入不同的队列中，结点按级别从高到低处理信息队列直到队列为空，保证高优先级信息得到优先处理。

Images