CN103476148A

CN103476148A - 无线传感器网络

Info

Publication number: CN103476148A
Application number: CN2013104500261A
Authority: CN
Inventors: 邱云周; 谢东峰; 肖世良; 潘乐炳; 钱汉望; 王国辉; 袁晓兵
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明提供一种无线传感器网络。该无线传感器网络至少包括：情报融合设备、信息处理设备及传感器三层；其中，传感器层的各传感器用于目标信号的采集；信息处理设备层的各信息处理设备各自作为相应的传感器的上级设备，用于对传感器上传的信息进行处理以便再上传，并对传感器进行控制；情报融合设备层的情报融合设备，作为各信息处理设备的上级设备，用于接收各信息处理设备上报的信息，并进行融合处理，形成情报信息。优选地，还包括用于各层之间信息中继转发的中继设备。优选地，网络物理层采用宽带扩频通信方式；网络链路层采用根据业务类型基于动静态混合MAC协议。本发明适用于在野外大规模布设，具有高鲁棒性、抗毁性、抗干扰及长生存周期。

Description

无线传感器网络

技术领域

本发明涉及网络领域，特别是涉及一种无线传感器网络。

背景技术

无线传感器网络由随机布设的大量多种类无线传感器组成，可迅速组成自适应的网络拓扑结构，并对分布式动态信息进行协同感知和处理，形成自治综合信息系统，其综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的情报，传送到需要这些情报的用户。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量可靠的信息，广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、智能交通、医疗卫生、制造业及反恐抗灾等领域。

目前，无线传感器网络协议研究主要集中在分布式拓扑结构、路由协议和MAC协议等方面，分布式拓扑结构中一般选用传感器节点作为簇头，实现对附近区域传感器的管理和调度，忽略了传感器采集信息的融合处理，而实际上信息融合处理由上级设备来完成；路由协议通过传感器节点多跳中继转发，以此实现远距离传感器信息上报，但由于传感器发射功率比较小，传输距离比较有限，传感器中继转发距离有限，故需要多个传感器多跳来实现；而MAC协议一般采用动态协议设计，过分追求传感器接入的灵活性和频率利用率，而可靠性、适用性和能量效率均较低；物理层通常采用窄带通信体制或多载波通信体制，绕射能力、抗干扰、抗截获能力均较差。通过长期大量的工程实践验证得知，当前研究的网络协议均停留在理论层面，导致实际网络系统的实用性、鲁棒性、抗干扰性能均较差，网络生存周期较短，无法满足工程实际需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种鲁棒性、抗毁性、抗干扰及生存周期优越的无线传感器网络。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线传感器网络，其至少包括：

情报融合设备、信息处理设备及传感器三层；

其中，传感器层的各传感器用于目标信号的采集；信息处理设备层的各信息处理设备各自作为相应的传感器的上级设备，用于对传感器上传的信息进行处理以便再上传，并对传感器进行控制；情报融合设备层的情报融合设备，作为各信息处理设备的上级设备，用于接收各信息处理设备上报的信息，并进行融合处理，形成情报信息。

优选地，所述无线传感器网络还包括：中继设备，用于各层之间信息中继转发；更为优选地，中继设备基于链路最小原则智能接入无线传感器网络。

优选地，网络物理层采用宽带扩频通信方式。

优选地，网络链路层采用根据业务类型基于动静态混合MAC协议。

优选地，待发射数据基于业务类型来发射；更为优选地，发射方式包括按时隙发射及采用动态预约分配模式或采用突出避让机制来发射。

优选地，业务类型包括图像类数据及非图像类数据。

优选地，上级设备基于主动功率控制法来调整发射功率，实现上下链路平衡。

如上所述，本发明的无线传感器网络，具有以下优点：有效解决野外大规模范围内的网络布设问题，基于智能中继转发，显著增加了传输距离和覆盖范围；基于动静态混合MAC协议，降低了传感器能耗，提高了灵活性、可靠性及频谱利用率；基于宽带扩频通信方式，解决了传感器地表布设链路不稳定、多径衰减严重、抗干扰和抗截获等传输问题；基于主动功率控制方法，实现上下链路平衡，有效减少信息重传和交互；同时通过网络层、链路层和物理层的跨层智能优化策略，有效提高的网络系统的鲁棒性、抗毁性、抗干扰及生存周期。

附图说明

图1显示为本发明的无线传感器网络示意图。

图2显示为本发明的无线传感器网络的组网过程及功能控制示意图。

元件标号说明

1 无线传感器网络

11 情报融合设备

21、22、23、24、25 信息处理设备

31、32、33、34、35、36 传感器

41、42、43 中继设备

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种无线传感器网络。该无线传感器网络至少包括：情报融合设备、信息处理设备及传感器三层。

传感器层的各传感器，例如，传感器31至36等，可在野外大范围规模化布设，用于野外环境目标信号检测，各传感器均采用电池供电，具有信号采集处理、组网传输等功能；传感器可包括：感测震动的传感器、感测声响的传感器、感测图像的传感器及其组合传感器等。

信息处理设备层的各信息处理设备，分别是相应的传感器的上级设备，接收相应各传感器获取的目标信息，并对相应各传感器实施控制。

例如，信息处理设备21是传感器31的上级设备；信息处理设备22是传感器32的上级设备；信息处理设备23是传感器33的上级设备；信息处理设备24是传感器34的上级设备；信息处理设备25是传感器35的上级设备。

情报融合设备层的情报融合设备11是信息处理设备21至25的上级设备，接收信息处理设备21至25上报的信息，进行融合处理，形成情报信息交给用户实施控制。

优选地，该无线传感器网络还包括中继设备，例如，中继设备41至43，用于各层之间信息中继转发，增加传输距离。

例如，中继设备41用于传感器层的传感器36与信息处理层的信息处理设备25之间的信息中继转发；中继设备42与43用于情报融合设备层的情报融合设备11与信息处理层的信息处理设备25之间的信息中继转发。

该无线传感器网络1的组网过程如图2所示。

情报融合设备11上电按超帧周期发射信标帧，中继设备42、43和信息处理设备层的各信息处理设备21至25，上电后均默认处于侦听模式，如果各中继设备及信息处理设备能接收到情报融合设备11的信标帧，则直接入网，并开始发射信标帧，如不能，则继续监听。

例如，在第一个周期，中继设备43与信息处理设备21至24能接收到情报融合设备11的信标帧，则直接入网，并开始发射信标帧，中继设备42与信息处理设备25不能接收到情报融合设备11的信标帧，则继续监听；在第二个周期，由于中继设备43及信息处理设备21至24也开始发射信标帧，中继设备42接收到中继设备43的信标帧，并开始发射信标帧，传感器31至34分别接收到信息处理设备21至24的信标帧，各自接入网络；在第三个周期，信息处理设备25接收到中继设备42的信标帧，并开始发射信标帧；在第四个周期，传感器35与中继设备41接收到信息处理设备25的信标帧，接入网络，中继设备41开始发射信标帧；在第五个周期，传感器36接收到中继设备41的信标帧，接入网络，由此，所有设备入网，形成了无线传感器网络1。

为简化图示，图2中未示出全部信息处理设备、传感器及中继设备，在此予以说明。

此外，还需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上述所述仅仅只是列示，而非对本发明的限制，事实上，若信息处理设备均能接收到情报融合设备的信标帧、所有传感器均能接收到相应的信息处理设备的信标帧，则所有中继设备在入网后经若干周期确认后转入休眠或值守；此外，若部分中继设备无下级设备，则该部分中继设备在入网后经若干周期确认后转入休眠或值守，以便节能。此组网原则即为链路最小原则，即能直接入网则不通过中继设备转发。

无线传感器网络1组网成功后，则网络的链路层采用根据业务类型的动静态混合MAC协议，对于震动、声响等非图像类传感器的小数据量突发传输，采用静态时隙分配，即数据按时隙发射；对于图像类的传感器，数据量大，采用动态时隙分配，即采用动态预约分配模式或采用突出避让机制来发射，发完立即释放时隙资源。此外，各传感器在无数据时休眠或值守，由此可提高网络的灵活性、可靠性及生存周期。

对于网络的物理层，则采用宽带扩频通信方式，有效解决传感器地表布设链路不稳定、多径衰减严重、信号干扰和被截获等传输问题，由此来显著增加抗干扰、抗截获和传输性能。

对于功率控制，则采用主动功率控制法，如图2所示，即；首先确定上下行链路性能差额，当上级设备发射信标帧时，主动调整发射功率，使上下行链路平衡，确保下级设备接到信标帧时，就意味着上级设备能够收到上行的确认帧，确保上下行链路可靠，减少信息重传和交互；同时通过网络层、链路层和物理层的跨层智能优化策略，根据系统的网络规模、业务类型、传输速率、分布区域等要求，自适应调整调制模式、发射功率、时隙方案等参数，可有效提高网络系统的鲁棒性、抗毁性、抗干扰及生存周期。

综上所述，本发明的无线传感器网络采用分层拓扑分簇协议，有效解决大规模传感器布设组网，简化了协议控制；通过多级中继设备的智能转发策略，显著增加了传输距离和覆盖范围；链路层采用动静态混合MAC协议，降低了传感器能耗，提高了灵活性、可靠性及频谱利用率；物理层采用宽带扩频通信方式，解决了传感器地表布设链路不稳定、多径衰减严重等传输问题，提高了抗干扰、抗截获及传输性能；针对大范围远距离信息传输，采用多级中继设备智能转发策略；对于无线传输上下行链路不对称现象，采用主动功率控制方法，有效减少信息重传和交互，降低了能源消耗；同时通过网络层、链路层和物理层的跨层智能优化策略，有效提高的网络系统的鲁棒性、抗毁性、抗干扰及生存周期。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度实用价值，并经大量长期的工程应用验证了上述协议的有效性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种无线传感器网络，其特征在于，所述无线传感器网络至少包括：

情报融合设备、信息处理设备及传感器三层；

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于还包括：中继设备，用于各层之间信息中继转发。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络，其特征在于：中继设备基于链路最小原则接入由情报融合设备、信息处理设备及传感器构成的无线传感器网络。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：网络物理层采用宽带扩频通信方式。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：网络链路层采用根据业务类型基于动静态混合MAC协议。

6.根据权利要求5所述的无线传感器网络，其特征在于：待发射数据基于业务类型来发射。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络，其特征在于：发射方式包括按时隙发射及采用动态预约分配模式或采用突出避让机制来发射。

8.根据权利要求5至7任一项所述的无线传感器网络，其特征在于：业务类型包括图像类数据及非图像类数据。

9.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于：上级设备基于主动功率控制法来调整发射功率。