基于超宽带技术的无线传感器网络

http://www.iianews.com 超宽带无线传感器 2007年07月19日

　　综上所述，基于UWB技术的无线传感器网络在诸多方面具备得天独厚的优势，将成为下一代无线传感器网络的研究热点和发展方向。

　　3 超宽带无线传感器网络的关键技术

　　研究基于超宽带技术的无线传感器网络时，除了无线传感器网络的通用关键技术，还需要关注下面一些热点问题：适用于无线传感器网络的UWB无线传输技术，与UWB相结合考虑的无线传感器MAC协议，利用定位信息的路由技术，高精度测距定位方法，跨层设计方法等。

　　3.1超宽带传输技术

　　考虑到无线传感器网络的应用环境，低功耗低成本是设计无线传感器网络的重要问题。所以，要结合无线传感网的要求，设计合适的UWB传输技术，重点研究简单、低功耗的调制解调技术，低成本、小体积的收发信机，结构合理的通信/定位一体化设计。综合以上因素，非相干方式的UWB无线传输技术可以成为一个很好的备选方案。

　　3.2 媒体访问控制协议

　　无线传感网研究的核心问题之一就是功耗管理。射频模块是节点中最大的耗能模块，是优化的主要目标。媒体访问控制(MAC)协议直接控制射频模块，对节点功耗有很大的影响。传感器节点的无效功耗主要来自：空闲侦听、数据冲突、串扰(接收和处理发往其他节点的数据)、控制报文开销等。MAC协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量，增加射频模块休眠时间和冲突避免等等。

　　Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、Berkley-MAC和Data-gathering MAC是目前无线传感网比较有代表性的MAC协议。另外，低成本、低功耗、低数据率的无线互联标准IEEE 802.15.4也对MAC协议做了详细的规范。超宽带无线传感器网络可以从UWB基本的信道划分方式入手，利用超宽带无线电的多址方式(跳时多址等)，结合上述的现有MAC协议，并考虑UWB技术自身的定位功能，研究低功耗、分布式、各方面性能比较平衡的MAC协议。

　　3.3 路由协议

　　路由协议的任务是在传感器节点和接收发送节点之间建立路由，可靠地传递数据。由于无线传感网资源受限，因此路由协议的设计原则是算法简单，不能在节点保存太多的状态信息，节点间不能交换太多的路由信息。目前有代表性的路由协议包括Flooding/Gossiping协议、SPIN协议、定向扩散协议、LEACH协议和TEEN协议等。可以结合UWB技术的精确定位能力，利用位置信息将数据中转到目标区域，从而不必为了找到目标节点向全网广播数据。另外，利用节点间的相对距离，可以为数据报选择更节省能量的路径。

　　3.4 高精度测距定位技术

　　根据定位机制，可将现有的无线传感器网络自身定位算法分为两类：Range-based和Range-free，即基于测距技术的定位算法和无需测距的定位算法。前者通过测量节点间点到点的距离或者角度信息，使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算节点位置；后者无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现。无需测距定位机制在成本、功耗等方面具有优势，但精度较低，主要算法包括质心算法、凸规划算法、DV-Hop、Amorphous、MDS-MAP和APIT算法等。UWB脉冲的宽度在1 ns以下，占用的带宽在1 GHz以上，采用时间到达(TOA)方法测距，理论上可以达到厘米级的测距精度[3]。但在复杂多径和非视距(NLOS)的影响下，UWB的测距和定位精度很难达到理论极限，选择性能代价比高的定位机制和节省能耗的定位跟踪算法是目前急需解决的问题。通过结合MAC和路由协议的设计，可实现无线传感器网络高精度的测距、定位和跟踪。

　　3.5 协议栈优化和跨层设计思路