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基于无线传感器网络战场感知WSN的关键技术研究毕业论文
Abstract
Wirelesssensornetworkwhichistakenasanewresearchhotpotintheinformationfieldhasbeenconcernedwidelyinthemilitaryfield.Inthispaper,afterintroducingdevelopmentstatusofwirelesssensornetworkandadvantagesofbattlefieldperception,aperceptionsystemofbattlefieldinformationisdesignedbasedonWSN,manysensornetworknodesaredistributedinaspecialregion,andthecomputercontrolplatformwithwirelesscommunicationinterfaceissetup.ThentheMACprotocolandroutingprotocolusedinthissystemareanalyzed,thekeytechnologiesofthesystemareresearched,suchastopologycontrol,localization,timesynchronization,securitytechnologyanddatafusion,andmakethecomprehensiveanalysis.Finally,thebattlefieldperceptionsystemissimulatedexperimentallyundercombinationwiththeparticularityofthebattlefieldperception.
Keywords:
Wirelesssensor，Battlefieldperception，Topologycontrol,Securitypolicy,Keytechnologies
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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目录
摘要I
AbstractIII
第一章绪论9
1.1研究背景9
1.2无线传感器网络概述10
1.2.1无线传感器网络基本概念10
1.2.2WSN国内外发展现状11
1.2.3WSN的应用领域12
1.3WSN在战场感知应用中的应用优势及前景14
1.4本课题的研究内容及章节安排15
第二章基于WSN的战场感知系统设计17
2.1战场感知系统的拓扑结构17
2.1.1星状拓扑结构17
2.1.2树状拓扑结构18
2.1.3分层网络状拓扑结构18
2.2战场感知系统的组成及各单元功能19
2.3战场信息感知系统的技术指标分析20
2.3.1全域信息获取和融合处理能力20
2.3.2实时传输与分发的能力20
2.3.3准确性高的能力21
2.3.4毁伤重组能力21
2.4战场感知系统的设计思路及工作原理21
2.4.1传感节点设计22
2.4.2通信模式设计22
2.4.3簇头选取算法23
2.4.4计算机无线通信接口24
2.5本章小结27
第三章战场信息感知系统的协议技术研究29
3.1路由协议29
3.1.1优先考虑能量29
3.1.2扩展性30
3.1.3可靠性31
3.2MAC协议31
3.2.1呼叫轮询31
3.2.2传递轮询32
3.2.3不分时隙的随机接入33
3.2.4分时隙的随机接入33
3.2.5信道接入退避算法33
3.3本章小结34
第四章战场信息感知系统的拓扑控制与处理技术35
4.1拓扑控制35
4.1.1节点功率控制算法35
4.1.2层次型拓扑控制算法35
4.2定位技术36
4.3时间同步技术38
4.4安全技术39
4.4.1网络安全需求分析39
4.4.2影响网络安全的主要因素39
4.4.3加强网络安全的策略40
4.5数据融合技术42
4.6毁伤重组技术43
4.6.1引发传感器节点失效的主要因素43
4.6.2传感器节点毁伤的重组算法44
4.7本章小结45
第五章模拟仿真应用实验47
第六章总结与展望51
6.1总结51
6.2展望51
参考文献53
致谢55
第一章绪论
近年来，随着科学技术的发展进步，信息的获取、生成、传输、存储、处理及应用等技术奠定了现代信息技术产业的基础，其中信息获取技术（传感器技术）是整个产业链生成的源头。
因此，以经济化、智能化、微型化、集成化的低功耗传感器节点设备为代表的信息产业模式，打破了以往传统的计算机和服务器的设计模式，日益成熟的无线通信技术和分布式计算技术拥有巨大的信息处理能力。
同时，迅速发展的微型机电系统，奠定了片上系统和芯片设计的基础，也促使了无线传感器网络（wirelesssensornetwork简称WSN）的诞生。
它联通了信息空间与人类社会，变革了人类认识自然和改造自然的方式，可广泛应用于军队作战、环境监测、医疗监护、城市交通、社区管理等领域。
1.1研究背景
将计算机技术、传感技术和通信技术的结合会引起了信息监测方式的革命，用传感器节点获取测量对象的信息，经无线通信网传输和数据融合处理，可以不再需要依靠大量的固定基础设施做支持。
由于具有部署性好、抗毁性强、容错性好等特点，可以把各种微型传感器密集布设在无人值守的需监控区域，按照网络要求自主协作，完成对目标的实时监测、感知和数据采集，同时嵌入式处理系统可以对收集到的信息进行处理，而后将处理结果通过无线电通信网络发送至用户终端，由此而形成一个具备自主运行能力的智能网络系统。
无线传感器网络代表了现代信息技术的发展某种基本趋势，在技术上融合了信息空间与实物空间，就不仅仅是传统有线网络的延伸，人们可以依靠它去直接感知、认识、探索真实的物理世界。
从科学技术发展进步与军事之间的辩证关系来看，“科学技术的最新发展，总是首先用于军事”，对美军战场能力建设的基本态势进行探讨,提出了可供我军借鉴的先进理念和成功做法[1-2]，而无线传感器网络拥有许多技术上的优势，其潜在运用价值十分巨大。
在传统战争中，使用人工侦察或小规模使用信息技术手段，所获取的情报信息量非常有限；不仅如此还会为搜集情报付出较大伤亡，据不完全统计，在以往战争中平均每获取10条有价值的情报就会有1人牺牲。
且传统的侦察方式耗费了大量人力物力，情报信息获取后传输的时效性也较差，有时因不能及时将情报信息传输到相关用户单位，以致延误重要战机；有时因信息传输时间较长，有用的信息传输至相关用户时，其军事价值也因“过时”而几近挥发。
因此，如何进一步提高战场感知效率，提升战场信息获取、传输、处理速度，已经成为世界各国军队面临的重要问题，也是我军军事能力建设的一项紧迫任务。
因此，它在军事领域的应用也必将指日可待，如对电磁放射源监控、无人机远距离高空侦察、战场综合态势感知，等等。
但当前的无线传感器网络在工程技术和基础理论方面，仍然存在着较多瓶颈性问题需要解决。
本文主要研究了无线传感器网络在现代战场感知领域的运用，并对其中涉及到的关键技术进行了深入探索研究[3]。
1.2无线传感器网络概述
1.2.1无线传感器网络基本概念
无线传感器网络（wirelesssensornetwork简称WSN），就是在目标监测区域内或附近随机部署大量微型传感器节点，通过内置的传感器监测目标区域内温度、光强、土壤成分、速度等物质现象，然后将获取到的信息，以短程无线、低功耗、多跳、自组织的通信方式发送到监控中心，由监控中心对获取的数据进行分析、汇总、挖掘和处理。
WSN以协作方式实现某种特殊应用，在节点多功能、低成本、微型化演变的同时，也暴露了自身存在的一些局限和问题[4]，具体如下：
1.网络规模大，内部节点多。
由于网络内部各节点的通信半径较小，一般在20m到200m之间；为了保证在监测区域内达到一定覆盖率，并确保整个通信网络的联通率，需要在较大区域内密集部署传感器节点，大量冗余的节点使得传感器网络具有较好的容错性能，并会降低监测区域内出现盲区的可能性。
但使得网络的维护十分困难，会带来通信冲突、路由选择、节点间协同操作等一系列问题，要求传感器网络的软、硬件必须具有鲁棒性和容错性。
2.硬件资源有限。
传感器节点由于射频物理特性和网络拓扑结构等还不稳定，容易易遭受外部干扰，可承载的数据资源非常有限，其信息处理能力和通信能力都比较弱，数据的存储空间相对就小得多，在一定程度上限制了整个网络效能的生成和发挥。
3.网络动态性强。
将传感器节点安放到监测区域之后，可不用依赖其它任何相关基础设施，就能够实现自动配置、管理，并能够自动地建立一个独立网络。
同时，节点由于移动、休眠、电能耗尽和周围环境干扰问题加入或退出网络，网络的拓扑结构随时会发生变化，因此，网络拓扑结构就拥有自动重构与自我修复的能力。
.电源能量有限。
由相应电池供电传感器节点的电源的续航时长，成为影响WSN大规模应用及各节点寿命的主要因素，一旦节点所带电能耗尽，就会导致该节点失去效能。
除此以外，如何保证传输信息安全、拟定网络数据传输协议、制定接口标准及科学的电源管理策略等问题都会制约总体技术的发展。
尽管WSN的应用愈加广泛，但未来应用如何发展存在还诸多未定情况，该技术的大规模运用仍受许多技术和非技术因素的限制。
1.2.2WSN国内外发展现状
对WSN的研究起源于上世纪70年代。
最初它只是用来侦测一些简单信号，实现一些点对点性质的简单通信。
到上世纪80年代以后，美国的研究机构开始了对分布式传感器网络的研究，开启了现代传感器网络研究的先河，进而引起了所谓的军事传感器网络的军事技术革命，并由此开始出现了以网络体系为核心的新军事变革，人类武器装备和军事形态开始由机械化向信息化过渡。
各类WSN由此逐步开始在军事领域的得到应用。
当时这些网络中，内部各节点已经能够自主运行，节点之间可以进行数据的交换、传输、处理等操作，信息从获取到最终发送至终端用户节点基本实现了自动化运行。
此外，随着人类科学技术的不断发展和进步，WSN的操作系统、目标跟踪、信号处理等诸多方面都取得了一定的进展[5]。
在国内，WSN是中国难得的与世界同步启动的产业。
2001年中科院联合10余家科研院所成立了微系统研发中心，共同推进WSN的研究。
2010年8月7日，温家宝总理在视察中科院无锡高新微纳传感器工程技术研究中心时指出：
在传感网发展中，要提早着手谋划，尽快攻破核心技术，建立中国的传感信息中心。
目前，WSN已经成为我国国防科学和“十一五”期间重点开展的研究领域之一。
2010年，WSN被上海浦东国际机场和世博会成功应用，该系统共投入约3万多个传感器，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可防止人员翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击入侵。
在世博会园区中，充分利用WSN具有低功耗、抗干扰、分布广、可双向通信、便于布设、能实现自动化控制等特点，用来协助园区工作人员进行检票、防入侵、防爆、防毒、道路监测等工作，极大地弥补了传统监控和巡逻手段的不足。
总体而言，在问题研究的广度、深度以及投入的科研力量上，国内的研究水平略逊于欧美发达国家，具有自主知识产权的技术较少，大多理论成果存在着与实际应用脱节的问题。
因而，适时加强对于WSN的理论和应用研究，对我国具有重大的现实意义。
1.2.3WSN的应用领域
无线传感器节点可用于确定压力、磁力、可见光、温度、加速度、湿度、机械应力以及环境和对象的相关物理参数，在众多领域拥有巨大的应用潜能及商业价值。
工业领域中，采用WSN技术可减少繁琐的线缆布设和连接，节省开支成本，还可以提前发现问题，自动采集和分析设备和产品的物理参数、延长设备的使用寿命；同时通过WSN的广泛应用，对整个工业领域的劳动生产率、工作场所安全、物资供应链优化和整体性能优化等都将起到积极的作用。
农业领域中通过在农田部署相关型号的传感器，对农田的光强、空气温度、土壤肥料含量、土壤湿度等参数实时掌控，实现对农作物生产和种植的精细化管理。
在各个领域，WSN可以利用感知型传感器可探测指定目标的活动特征，确定目标位置，对目标实现持续跟踪监测，并绘制出目标的移动轨迹，如GPS定位和导航监测系统；在人体上安装能够感知生命体征的传感器节点，实时采集人体生理数据，观察者可远程实时了解人体体征变化情况，并及时进行相应处理；可实现对地球气候变化、火山情况、森林火警等进行观测，也可应用于煤矿、核电厂等危险工作环境及人员观测；监测大型建筑物、桥梁等物体结构的安全状态，用来诊断和定位可能出现的局部损伤，及时修补可能出现的问题，消除安全隐患。
目前，美国成功利用WSN对金门大桥在各种自然条件下的健康状况进行监测和评估。
WSN已深入到供水、供电、煤气等公共计量统计行业、在智能家电、智能交通和中小企业管理等行业。
社会管理部门可通过WSN查看道路流量、市区停车场车位等信息，实现预定和自助缴费等功能；上海已成功运用WSN将部分市区地下的传感器水表配备自动统计数据和控制功能，实现了对用水量的实时监控。
尽管WSN目前仍处于初步应用阶段，但未来随着节点成本的下降、各种技术的进步和社会需求的增加，WSN将会广泛应用于社会各领域，为社会的发展创造巨大的效益[6]。
国防领域代表国家科技发展的水平，在战争需要各环节都用WSN来改进效果[3,7]：
（1）战场侦察与监视。
通过在敌方控制区内的主干交通要道、桥梁、港口等重要目标部署大量的传感器，可以详细地了解敌方兵力部署、机动情况，以及各种武器装备的配备情况，为已方部队有针对性地进行准备提供数据依据。
上世纪60年代在美军对越作战过程中就开始应用震动感应传感器和声控感应传感器，建立代号为“热带树”战场侦察网络。
通过大范围在越“胡志明小道”及其附近部署传感器，美军还进行了变形伪装，将传感器制作成树枝形状，很好的麻痹了北越部队，在作战过程中获取了大量有价值的情报信息，掌握了北越部队的活动规律和兵力调动情况，从而使指挥员能够轻松作出正确的决策，很好的掌握战场主动权。
目前，外军研发的火力快速反应系统、网络中心战模式等，都是利用网络传感器的一体通信功能，使作战中的火力反应成为从目标侦察到终端射手连为一体，信息自动化运行，大大减少了火力反应的时间，提高了火力打击的效率和节奏。
随着美军对越作战中传感器网络应用成功，世界发现其中的军事价值，纷纷投入大量经费展开对传感器网络的研究。
（2）战场态势感知。
所谓战场感知（Battlefieldwareness），就是指参战部队和支援保障部队，利用各种侦察手段和装备，对作战空间内敌、我、友各方的兵力部署、武器配备和战场环境（如地形、气象和水文）等信息的实时掌握。
现代战争实时掌控战场态势已成为基本要求，以便指挥员能根据战场局势变化，及时定下决心，做出反应，同时也是提升部队应付突发情况能力，提高部队快速反应能力的需要。
美军制定的未来单兵智能战斗系统，就是一个典型的例子。
该系统能够为士兵提供全天候、全方位识别目标的能力，同时能充分利用WSN的通信功能，使信息从感知节点到终端用户更加迅捷，作战效率大大提高。
在美军进入阿富汗战场后，该系统迅速显现出其巨大的军事价值，做到了全方位、全天候、透明化侦察，能够随时随地的掌握作战对手的位置、兵力和武器装备情况，由此做出相应的作战行动，既避免了大量人员伤亡，同时还保证掌握了战场主动权。
（3）战场目标跟踪。
作战过程中通过部署密集的网络传感器节点，对目标的发现、识别、定位是敌我双方关注的焦点，如何快速发现和锁住目标，直接影响到能否顺利对目标实施打击和摧毁。
WSN具有其它侦察设备不可比拟的优势，包括：
一是目标跟踪定位更加准确。
对目标进行全程监视、跟踪和定位，各节点交替或接替监视，信息返回监控中心后，可详细绘制出目标活动轨迹。
二是侦察数据更加可靠。
由于WSN具有自管理、自组织等功能，当网络内某一节点失效或是有新的节点加入时，网络可迅速根据预设的管理协议进行调整，确保了整个网络在一定程度上的稳定性，网络的容错性、可靠性和鲁棒性都得到大幅提升。
三是信息传递更加及时。
WSN中从发现目标到信息反馈至监控中心，都是通过无线网络自动传输，避免了信息落地，提高了信息传递的效率。
四是侦察监视更加隐蔽。
无线传感器节点体积小、无线传输功率小，在整个侦察和监视过程中，不易被敌方发现，因而可以对目标实施隐蔽侦察、监视和跟踪。
1.3WSN在战场感知应用中的应用优势及前景
WSN节点由于其具备体积小、重量轻和方便布设等诸多优点，在作战过程中，只要通过无人机或是炮弹（炮弹战斗部携带无线传感器网络节点）将其投放到预订地点，就能大范围、密集地部署在相关作战区域；既避免了人工布设的低效率和危险性，又可以迅速实现对敌防区大范围侦察监视，尽快满足相关作战需要即实现部署迅速。
将随机分布在目标区域内的各传感器节点连接成网络，建立一个具有统一管理机制的智能化情报信息网络，方便网内信息传输和保存；同时还可适当调整个别具有移动能力的传感器节点部署位置，有效地消除探测区域内的盲区，尽可能实现对相关区域的情报侦察即有自组织功能。
在所建立的智能化情报信息网络内，如果个别传感器节点受损或发生故障，网络自身会迅速根据预设的协议进行结构调整，从而确保整个网络运行效果，可以说该信息网络具有一定的自我修复能力。
此外，在现实的战场侦察行动中，要避免被敌人发现、打击，降低人员伤亡和装备损毁，还必须防止敌人发现情报泄露而调整兵力兵器部署使本方情报侦察失去其价值，即有好的隐蔽性。
信息化条件下的局部战争已经成为现代战争的主要形态，科学技术的运用日益广泛深入。
在全球军事竞争愈加激烈的背景之下，实时搜集、处理、判断各种战场情报信息，既是各国军队应对面临的现实战争考验的需要，亦是军事信息科技发展的必然逻辑结果。
目前，以美国为首的西方军事强国，都在不遗余力地加快军事信息技术研究利用，其中，战场感知技术更是这些西方军事强国争相开发的核心技术,是信息化战争条件下的战场情报侦察、战场信息采集、战场态势研判的重要技术手段，是信息化作战技术运用的主要领域。
战场态势感知技术，除了包括传统的情报获取、目标指示、毁伤评估等内涵和功能外，还具有网内各种信息共享以及对信息资源进行管控的能力；全球各军事强国对战场态势感知技术都在进行深入研究，美军科学咨询委员会在2002年就曾建议美军应在组织和技术上进行改进，以获得更好的“预先战场感知”能力；从海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争等几次信息化条件下的局部战争的情况来看，“智能化”的战场感知系统是军队夺取和掌控战场主动权，大幅度提高参战部队和相关作战单元效能，是在敌方防区内作战机动性与灵活性的重要技术手段。
这类信息传感器已开始为我军所装备，对我军战争情报侦察能力的提升起到了很强的促进作用。
在战场态势感知方面，融合多种型号、类型的传感器和相关的情报搜集、传输、处理、分发等技术已逐步显现出其巨大的军事价值。
我军信息化装备现状和部队信息化建设发展趋势将把传感器和传感器网络必将成为我军建设中的一个重要组成部分，其作用的充分发挥将极大地提升我军在信息化条件下的战斗能力。
[8]
1.4本课题的研究内容及章节安排
本文主要对基于WSN的战场感知系统进行了研究和分析，结合战场感知系统的特殊需求，对其中的网络拓扑控制、路由协议等关键性技术进行了研究。
主要包括对战场感知系统的协议技术、数据融合技术、网络拓扑控制技术、安全防护技术等进行研究，分析了战场感知系统在以上技术应用方面的特殊要求，有针对性地提出了应用措施和解决方法。
论文的结构安排如下：
第1章为绪论，简要介绍了无线传感器网络的发展现状和应用前景，分析了WSN在军事应用中的优势，给出研究内容及章节安排。
第2章为基于WSN的战场感知系统网络结构，主要论述了战场感知系统的构成情况。
第3章为主要研究了战场信息感知系统中的路由协议和MAC网络协议。
第4章为战场信息感知系统的拓扑控制技术，主要对战场感知系统中网络拓扑控制技术、数据融合技术、网络安全防护技术等关键性技术进行了分析，依据战场感知系统的需求对以上技术的改进提出了建议性方案。
第5章为模拟仿真应用实验，通过构建简单的仿真环境和实地操作，检验无线传感器系统在实际应用中的效果，并对实验情况进行了分析讨论。
为结论，总结了本研究所完成的主要工作，对未来无线传感器军事应用的发展作了一些展望。
第二章基于WSN的战场感知系统设计
在传统的无线传感器网络的基本构成基础上，分析其军事应用要求的技术指标使其军事价值越来越高，建立基于WSN的战场感知系统已成为信息化条件下作战的必要环节。
2.1战场感知系统的拓扑结构
战场感知系统主要作用是部署在特定的战场环境内，探测和感知战场环境和目标信息，并及时将获取到的信息反馈至监控中心，由用户终端对信息进行分析和处理。
整个系统由大量低成本的传感器构成，并通过相应的无线网络链接，按照预定的路由协议和网络协议，形成一个具有自组织和自管理能力的智能化信息网络。
网络采取分布式组网模式，网内所有节点随机部署在监测区域内，各节点间利用无线信道进行交互沟通和信息传递。
战场感知系统的拓扑结构与信息传输网络结构相同，一般区分为星状拓扑结构、树状拓扑结构和分层网络状拓扑结构[9]。
2.1.1星状拓扑结构
星状拓扑结构是指由中央节点与周围各个节点连接，各节点通过中央节点，将数据传输至处理中心的拓扑结
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