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淺談無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(cè)的一些關(guān)鍵技術(shù)
論文關(guān)鍵詞:深空探測(cè) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)功率(DPM) 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度(DVA)
論文摘要:本文首先介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(cè)所必須解決的一些關(guān)鍵技術(shù)做出較詳細(xì)的分析，并從理論上給出了能量問題的解決方案。
0概述
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知和采集各種或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息盈過無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到處理終端，從而實(shí)現(xiàn)世界、計(jì)算世界以及人類三元世界的連通. MEMS支持下的微小傳感器技術(shù)和節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信能力為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景，在深空探測(cè)方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。借助于航天器布撒的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表明長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，應(yīng)該是一種可行的方案。NASA的JPL ( JetPropulsion Laboratory)實(shí)驗(yàn)室研制的SensorWebs' 就是為將來(lái)的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。本文首先介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，然后對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(cè)所必須解決的一些關(guān)鍵技術(shù)做出較詳細(xì)的分析，并從理論上給出了能量問題的解決方案。
1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念
圖1所示為一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)、接收發(fā)送器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制管理中心等。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括如下4個(gè)基本單元:傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU，存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無(wú)線通信模塊組成)以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括:定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過飛機(jī)布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式實(shí)時(shí)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink節(jié)點(diǎn)(接收發(fā)送器)鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心。反之，遠(yuǎn)程管理中心也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和操縱。
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)微型化的嵌人式系統(tǒng)，構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支持平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了許多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)原理上是相似的，只是分別采用了不同的微處理器或者不同的通信或協(xié)議方式，比如采用自定義協(xié)議、802. 11協(xié)議、ZigBee協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議以及UWB通信方式等。典型的節(jié)點(diǎn)包括Berkeley Motes，Sensoria Wins，Berkeley Pico-nodes， MIT uAMPs，SmartMesh Dust mote，InteliMote以及Intel Xscale nodes, ICTCAS/HKUST的BUDS等。
2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(cè)的一些關(guān)鍵技術(shù)
2.1物理層
物理層的研究主要涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸媒體、頻段選擇以及調(diào)制方式。目前，采用的傳輸媒體主要有:無(wú)線電、紅外線、光波等。
無(wú)線電傳輸是目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主流傳輸方式，需要解決的問題有:頻段選擇、節(jié)能的編碼方式、調(diào)制算法設(shè)計(jì)等。在頻段選擇方面，ISM頻段由于具有無(wú)需注冊(cè)、具有大范圍的可選頻段、沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)、可以靈活使用的優(yōu)點(diǎn)，被人們普遍采用。與無(wú)線電傳輸相比，紅外線、光波傳輸則具有不需要復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)機(jī)制，接收器電路簡(jiǎn)單，單位數(shù)據(jù)傳輸功耗小等優(yōu)點(diǎn)。但由于不能穿透非透明物體，只能在一些特殊的系統(tǒng)中使用。
外層空間是一個(gè)非常惡劣的，由于沒有地球大氣層和臭氧層的保護(hù)，空間溫差變化很大，各種輻射強(qiáng)烈，大大小小的流星橫行，用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠在惡劣環(huán)境(振動(dòng)、加速度、高真空、低溫、粒子輻射等)下工作。因此用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層一個(gè)極其重要的研究方向是:研究抗強(qiáng)電磁干擾、抗大沖擊、高過載、能夠適應(yīng)極高、極低的溫度環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)方法。
2. 2傳輸層
現(xiàn)階段對(duì)傳輸控制的研究主要集中于錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。參考文獻(xiàn)分析了端到端錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的性能。仿真表明，隨著無(wú)線信道質(zhì)量的下降(信道錯(cuò)誤率從I%上升到50%),端到端錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制的性能下降很快(發(fā)送成功率從90%下降到接近0)。
目前，用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的研究迫切需要解決的間題有:如何在深空振動(dòng)、加速度、高真空、低溫、粒子輻射等惡劣環(huán)境下，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信道質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化的條件下，為上層應(yīng)用提供節(jié)能、可靠、實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
2. 3能量問題
能源問題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的小尺寸限制了其攜帶的能量，進(jìn)而限制了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)處于無(wú)法接近的場(chǎng)所，導(dǎo)致無(wú)法頻繁的更換節(jié)點(diǎn)的電源。
深空環(huán)境下能源問題的解決有以下兩個(gè)研究方向:
第一個(gè)方向是采用再生能源為節(jié)點(diǎn)供電。但是節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境對(duì)再生能源的獲取有很大的影響，必須根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)計(jì)不同的獲取再生能源的方法。
①對(duì)于圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)陰陽(yáng)面之分的星球和如月球等有陰陽(yáng)面之分的星球的陽(yáng)面，可以考慮利用太陽(yáng)能電池和溫差效益發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)為節(jié)點(diǎn)提供能量。
②對(duì)于布散在有陰陽(yáng)面之分的星球陰面的節(jié)點(diǎn)，由于不能接受到恒星的能量、常年溫度很低，前面所說(shuō)的太陽(yáng)能源和溫差效益在這種情況下無(wú)法利用，可以考慮如圖2的一種獲取能量的方法:
如示意圖2所示，布散在陰面的節(jié)點(diǎn)，可以利用人造行星反射恒星能量，然后利用太陽(yáng)能源來(lái)獲得節(jié)點(diǎn)的供電。
另外一個(gè)方向是從系統(tǒng)的角度采用采取節(jié)能措施，可以從以下兩方面考慮:
①考慮到深空的溫差變化很大，最低溫度可能接近絕對(duì)零度。在這種情況下，可以考慮利用半導(dǎo)體的超導(dǎo)現(xiàn)象，節(jié)約能量。
②采用低功耗的能源高效器件、節(jié)能措施，從層面上延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命。低功耗與能源高效的區(qū)別是:低功耗用于度量每種時(shí)鐘器件所消耗的功率，能源高效則用于度量執(zhí)行每條指令器件所消耗的功率。
從系統(tǒng)角度出發(fā)節(jié)省功耗，需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)有:
(1)動(dòng)態(tài)功率(dynamic power manage-ment，簡(jiǎn)稱DPM)。
在多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)事件具有很強(qiáng)的偶然性，節(jié)點(diǎn)上所有的工作單元沒有必要時(shí)刻保持正常工作狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)，甚至完全關(guān)閉，必要時(shí)加以喚醒是一種有效的系統(tǒng)節(jié)能方案。
(2)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度
在文獻(xiàn)中，有C. Lm等人提出的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度策略的主要原理是基于負(fù)載狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)減少系統(tǒng)功耗，并被應(yīng)用到PDA之類的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備上。在文獻(xiàn)中，提出了如圖3所示的功率控制原理圖。節(jié)點(diǎn)上的嵌人式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度來(lái)自不同任務(wù)隊(duì)列的請(qǐng)求接受任務(wù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控處理器的利用率和任務(wù)隊(duì)列的長(zhǎng)度，負(fù)載觀測(cè)器依據(jù)這兩參數(shù)的序列計(jì)算負(fù)載的標(biāo)稱值W，直流/直流變換器參照該值輸出幅度為A的電壓，支持處理器的正常工作。這構(gòu)成了一個(gè)典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)�？刂评碚撝谐墒斓姆椒ǹ梢詾樵撓到y(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)提供有力的支持。
2. 4其他關(guān)鍵技術(shù)
除了以上問題外，還有許多關(guān)鍵技術(shù)必須注意，主要集中在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)議和應(yīng)用相關(guān)的共性技術(shù)上。文章由于篇幅的限制，在此不做詳細(xì)的說(shuō)明。
3結(jié)論
深空探測(cè)具有非常重大的意義，它不僅可以展示一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力和科技水平，而且對(duì)月球的探測(cè)也是一項(xiàng)科技產(chǎn)出率非常高的偉大事業(yè)。此外，在軍事上也有很重要的意義。
本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于深空探測(cè)，對(duì)存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并從理論上給出了能量問題的解決方案。因此，本文對(duì)解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于深空探測(cè)所存在的工程技術(shù)問題，具有一定的作用。
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