無線傳感器網絡技術的軍事應用

摘要：信息化戰(zhàn)爭對戰(zhàn)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(zhàn)場偵查與監(jiān)控、目標定位、毀傷效果*估、核生化監(jiān)測等軍事應用領域發(fā)揮巨大的作用，實現(xiàn)戰(zhàn)場的快速布控、戰(zhàn)場信息的實時采集處理與傳輸，從而極大地提高指揮系統(tǒng)的戰(zhàn)場感知能力，滿足信息化戰(zhàn)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(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被監(jiān)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(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)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(jié)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(zhàn)爭的形態(tài)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(zhàn)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(zhàn)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(jiān)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(fā)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(fā)的一種WSN系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將探測節(jié)點散布到整個戰(zhàn)場，偵測戰(zhàn)區(qū)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(tǒng)提升到國家戰(zhàn)略高度。

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

　　傳感器節(jié)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(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送到匯聚節(jié)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(tǒng)，傳感器節(jié)點采集到的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸到匯聚節(jié)點。一個WSN系統(tǒng)通常有數量眾多的體積小、成本低的傳感器節(jié)點。

　　匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點構成了底層數據采集和傳輸的網絡系統(tǒng)，雖然單個節(jié)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(jié)點相互協(xié)作，構成一個具有高度抗毀性的網絡系統(tǒng)，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(jié)點通過通信衛(wèi)星或其他其通信網絡，將監(jiān)測數據傳輸到管理節(jié)點。管理節(jié)點通過對整個系統(tǒng)的配置和管理，實現(xiàn)對系統(tǒng)中各節(jié)點監(jiān)測任務的發(fā)布和監(jiān)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(tǒng)和網絡系統(tǒng)所不具備的獨特優(yōu)勢，同時也具有一定局限性。

　　1．2．1 優(yōu) 勢

　　(1)生存能力強

　　WSN密集分布在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點地位平等，沒有嚴格的控制中心。每個傳感器節(jié)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(jié)點由于環(huán)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(jié)點之間可以協(xié)調互補，動態(tài)連接成新的網絡系統(tǒng)，保證部分傳感器節(jié)點的損壞不會影響到全局任務。因此，WSN在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)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(tǒng)可以在監(jiān)測區(qū)域大量布設低成本的傳感器節(jié)點，使得傳感器節(jié)點能夠與探測目標近距離地接觸，極大地消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)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(jiān)測對象進行監(jiān)測，而多節(jié)點聯(lián)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(qū)域，從而提高監(jiān)測準確性，克服衛(wèi)星和雷達這類獨立系統(tǒng)的技術難題。

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

　　(3)自組織能力強

　　WSN是一個節(jié)點對等網絡，每個節(jié)點都具有路由功能，網絡中不存在嚴格的中心控制節(jié)點。其工作的展開不依賴于任何預設的網絡基礎設施，節(jié)點開機后就可以通過自我協(xié)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(tài)的網絡，網絡內的節(jié)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(jié)點，快速形成新的網絡并繼續(xù)原來的丁作，無需外界幫助。