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淺談無線傳感器網絡應用于深空探測的一些關鍵技術
論文關鍵詞:深空探測 無線傳感器網絡 動態功率(DPM) 動態電壓調度(DVA)
論文摘要:本文首先介紹無線傳感器網絡的基本概念，對無線傳感器網絡應用于深空探測所必須解決的一些關鍵技術做出較詳細的分析，并從理論上給出了能量問題的解決方案。
0概述
無線傳感器網絡是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域，它綜合了傳感器技術、嵌人式計算技術、現代網絡及無線技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作實時監測感知和采集各種或監測對象的信息，這些信息盈過無線方式被發送，并以自組織多跳的網絡方式傳送到處理終端，從而實現世界、計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和節點間的無線通信能力為無線傳感器網絡賦予了廣闊的應用前景，在深空探測方面，無線傳感器網絡有著得天獨厚的技術優勢。借助于航天器布撒的無線傳感器網絡節點實現對星球表明長時間的監測，應該是一種可行的方案。NASA的JPL ( JetPropulsion Laboratory)實驗室研制的SensorWebs' 就是為將來的火星探測進行技術準備的，已在佛羅里達宇航中心周圍的環境監測項目中進行測試和完善。本文首先介紹無線傳感器網絡的基本概念，然后對無線傳感器網絡應用于深空探測所必須解決的一些關鍵技術做出較詳細的分析，并從理論上給出了能量問題的解決方案。
1無線傳感器網絡的基本概念
圖1所示為一個典型的傳感器網絡的系統結構，包括分布式傳感器節點(群)、接收發送器、無線網絡和遠程控制管理中心等。其中，傳感器網絡節點的基本組成包括如下4個基本單元:傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU，存儲器、嵌入式操作系統等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括:定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。在傳感器網絡中，節點可以通過飛機布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式實時感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的信息，并通過多跳網絡將數據經由Sink節點(接收發送器)鏈路將整個區域內的信息傳送到遠程控制管理中心。反之，遠程管理中心也可以對網絡節點進行實時控制和操縱。
傳感器網絡節點為一個微型化的嵌人式系統，構成了無線傳感器網絡的基礎層支持平臺。目前國內外已經出現了許多種網絡節點的設計，它們在實現原理上是相似的，只是分別采用了不同的微處理器或者不同的通信或協議方式，比如采用自定義協議、802. 11協議、ZigBee協議、藍牙協議以及UWB通信方式等。典型的節點包括Berkeley Motes，Sensoria Wins，Berkeley Pico-nodes， MIT uAMPs，SmartMesh Dust mote，InteliMote以及Intel Xscale nodes, ICTCAS/HKUST的BUDS等。
2無線傳感器網絡應用于深空探測的一些關鍵技術
2.1物理層
物理層的研究主要涉及無線傳感器網絡采用的傳輸媒體、頻段選擇以及調制方式。目前，采用的傳輸媒體主要有:無線電、紅外線、光波等。
無線電傳輸是目前無線傳感器網絡采用的主流傳輸方式，需要解決的問題有:頻段選擇、節能的編碼方式、調制算法設計等。在頻段選擇方面，ISM頻段由于具有無需注冊、具有大范圍的可選頻段、沒有特定的標準、可以靈活使用的優點，被人們普遍采用。與無線電傳輸相比，紅外線、光波傳輸則具有不需要復雜的調制解調機制，接收器電路簡單，單位數據傳輸功耗小等優點。但由于不能穿透非透明物體，只能在一些特殊的系統中使用。
外層空間是一個非常惡劣的，由于沒有地球大氣層和臭氧層的保護，空間溫差變化很大，各種輻射強烈，大大小小的流星橫行，用于深空探測的無線傳感器網絡必須能夠在惡劣環境(振動、加速度、高真空、低溫、粒子輻射等)下工作。因此用于深空探測的無線傳感器網絡層一個極其重要的研究方向是:研究抗強電磁干擾、抗大沖擊、高過載、能夠適應極高、極低的溫度環境的無線傳感器網絡電路設計方法。
2. 2傳輸層
現階段對傳輸控制的研究主要集中于錯誤恢復機制。參考文獻分析了端到端錯誤恢復機制在無線多跳網絡中的性能。仿真表明，隨著無線信道質量的下降(信道錯誤率從I%上升到50%),端到端錯誤恢復機制的性能下降很快(發送成功率從90%下降到接近0)。
目前，用于深空探測的無線傳感器網絡傳輸層的研究迫切需要解決的間題有:如何在深空振動、加速度、高真空、低溫、粒子輻射等惡劣環境下，在拓撲結構、信道質量動態變化的條件下，為上層應用提供節能、可靠、實時性高的數據傳輸服務。
2. 3能量問題
能源問題是無線傳感器網絡面臨的最大挑戰，傳感器節點的小尺寸限制了其攜帶的能量，進而限制了網絡的使用壽命。用于深空探測的無線傳感器節點處于無法接近的場所，導致無法頻繁的更換節點的電源。
深空環境下能源問題的解決有以下兩個研究方向:
第一個方向是采用再生能源為節點供電。但是節點所處的環境對再生能源的獲取有很大的影響，必須根據不同的環境設計不同的獲取再生能源的方法。
①對于圍繞恒星運轉，無陰陽面之分的星球和如月球等有陰陽面之分的星球的陽面，可以考慮利用太陽能電池和溫差效益發動機來為節點提供能量。
②對于布散在有陰陽面之分的星球陰面的節點，由于不能接受到恒星的能量、常年溫度很低，前面所說的太陽能源和溫差效益在這種情況下無法利用，可以考慮如圖2的一種獲取能量的方法:
如示意圖2所示，布散在陰面的節點，可以利用人造行星反射恒星能量，然后利用太陽能源來獲得節點的供電。
另外一個方向是從系統的角度采用采取節能措施，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零度。在這種情況下，可以考慮利用半導體的超導現象，節約能量。
②采用低功耗的能源高效器件、節能措施，從層面上延長節點使用壽命。低功耗與能源高效的區別是:低功耗用于度量每種時鐘器件所消耗的功率，能源高效則用于度量執行每條指令器件所消耗的功率。
從系統角度出發節省功耗，需要實現的關鍵技術有:
(1)動態功率(dynamic power manage-ment，簡稱DPM)。
在多數傳感器網絡的應用中，監測事件具有很強的偶然性，節點上所有的工作單元沒有必要時刻保持正常工作狀態，處于休眠狀態，甚至完全關閉，必要時加以喚醒是一種有效的系統節能方案。
(2)動態電壓調度
在文獻中，有C. Lm等人提出的動態電壓調度策略的主要原理是基于負載狀態動態調節供電電壓來減少系統功耗，并被應用到PDA之類的個人移動設備上。在文獻中，提出了如圖3所示的功率控制原理圖。節點上的嵌人式操作系統負責調度來自不同任務隊列的請求接受任務，并實時監控處理器的利用率和任務隊列的長度，負載觀測器依據這兩參數的序列計算負載的標稱值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。這構成了一個典型的閉環反饋系統。控制理論中成熟的方法可以為該系統各個模塊的設計提供有力的支持。
2. 4其他關鍵技術
除了以上問題外，還有許多關鍵技術必須注意，主要集中在網絡拓撲協議和應用相關的共性技術上。文章由于篇幅的限制，在此不做詳細的說明。
3結論
深空探測具有非常重大的意義，它不僅可以展示一個國家的綜合國力和科技水平，而且對月球的探測也是一項科技產出率非常高的偉大事業。此外，在軍事上也有很重要的意義。
本文從工程應用角度出發，將無線傳感器網絡用于深空探測，對存在的一些關鍵技術問題進行了詳細的分析，并從理論上給出了能量問題的解決方案。因此，本文對解決無線傳感器網絡用于深空探測所存在的工程技術問題，具有一定的作用。
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