无线传感网络在军事领域的应用

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1、. 传感网络结课报告 论文题目：无线传感器网络在军事领域的应用分析 学 院：光电信息与计算机工程学院 专 业：光电信息工程 班 级：光电三班 学 号：1212471329 学生姓名：李政鹏 指导教师：陈克坚 2015年 6 月 7 日精品.摘 要II第一章绪论11.1背景及国际形势11.2无线传感器网络的发展现状11.3本文的组织结构2第二章无线传感器网络简介32.1体系结构3 2.1.1 节点组成.3 2.1.2 网络体系结构.32.2路由协议4 2.2.1平面路由协议.4 2.2.2层次路由协议.6第三章特点及应用优势73.1无线传感器网络特点7 3.1.1无线传感器网络的主要特点.7 3

2、.1.2与其他网络相比主要区别.73.2应用优势8 3.2.1潜在优势8 3.2.2与导弹雷达相比潜在优势8第四章在军事领域的应用94.1战场侦察与监视94.2战场态势感知104.3核、生、化监测104.4装备、弹药、后勤物资管理104.5智能尘埃10第五章结束语12第六章调研照片12第七章参考文献13精品.无线传感器网络在军事领域的应用 摘 要无线传感器网络是新兴网络,它采用无线通信技术,由微小的传感器组成,无线传感器网络节点具备感应能力、信息处理能力和无线通信能力,使无线传感器网络有广阔的应用前景,可广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。文中对无线传感网络的构建，路由协议以

3、及定位算法做了简介，着重讲了它在军事领域的重要地位，以及当下的主要应用研究方向。关键词：WSN，体系结构，军事应用AbstractWireless Sensor Network is a burgeoning network,which is composed of tiny sensors with wireless communication technology. Node of WSN have influence, information handing and wireless communication abilities, making WSN have wide applic

4、ation foreground, including military,environment, medical treatment, space imploring and various business applications. In this paper, i first provide a brief introduction to the construction of WSN, routing protocol and the Relocation Arithmetic, and then focus on its important position in the mili

5、tary field, main application and research direction now.精品.Keyword: WSN, Construction, Application in the military field.精品.第一章 绪论1.1 背景及国际形势 无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一,2003年2月份的美国技术评论杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术,无线传感器网络被列为第一,未来科学家预言无线传感器将引发新的信息革命,一些专家认为传感器网络、仿生人体器官等是全球未来的四大高技术产业,它们将掀起新的产业浪潮,这预示着未来到处是以电池为电源的无线

6、传感器网络,这些传感器可监控环境、机器甚至人类自己。无线传感器网络通过分布在检测区域内的传感器节点，获取客观世界的最直接、最有效、最真实的信息，并通过无线自组织的网络传递到用户端。在国防和军事领域，该网络可以实时监测、感知、采集和传递战场环境内的各种信息，协助实现有效的战场态势感知，为作战指挥员提供战场情报服务。世界军事强国纷纷开展无线传感器网络的军事应用研究。1.2 无线传感器网络的发展现状无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入

7、到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。 WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量(功率)供给下实现对目标的

8、长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。其核心关键技术包括：组网模式、拓扑控制、媒体访问控制和链路控制、 路由、数据转发及跨层设计、 QoS保障和可靠性设计、 移动控制模型等等。而关键支撑技术包括：WSN网络的时间同步技术、基于WSN的自定位和目标定位技术、分布式数据管理和信息融合、WSN的安全技术、精细控制、深度嵌入的操作系统技术、 能量工程等等。精品.1.3 本文的组织结构本文共分为七个章节，安排如下：第一章绪论，分析了无线传感器网络在新时代的重要地位，在介绍了无线传感器网络的发展研究现状之后，阐述了本文的主要工作第二章无线传感网络简介，“工欲善其事，必先利其器”，在讨

9、论WSN技术在军事领域具体应用之前，先对WSN的体系结构，节点组成，网络构架以及路由协议作了简要介绍。第三章首先分析了无线传感器网络的特点，进而很容易理解了它在军事领域的应用优 势，解释了我们为什么要用它 第四章是本文的主体部分，重点介绍了五种无线传感器网络在军事领域的具体应用，分 别是：战场侦察与监视；战场态势感知；核生化的监测；装备、弹药、军事物资的管理监测、智能尘埃。 并附带有案例分析，可见在这一领域美国是要走在我们之前的我们仍有很远的路要走。第五章结束语指出了一些现在的研究热点问题，预测了未来美好的前景 第六章是一些在光博会拍到的照片，实地留念第七章参考文献精品.第二章 无线传感器网络

10、简介2.1 体系结构无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。2.1.1 节点组成对于每一个传感器节点，一般都具有数据采集，数据处理和数据传输功能，一般由传感器模块，处理模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成，其构造如下图 2-1 所示。其中传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及

11、其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。 图2-1 无线传感器节点结构2.1.2 网络体系结构传感器网络有大量的无线传感器节点部署在监测区域，通过自组织的方式形成网络。通常这些节点可分为采集节点和汇聚节点。采集节点部署在监测区域内，通过温度，湿度等传感器采集各种信息，并将采集到的信息向其他节点传送，其他节点将信息转发，最终传到汇聚中心。在数据传送的过程中，转发过程中的其他节点可能对数据进行初步处理，汇总。其网络布局如下图 2-2 所示： 精品.图2-2无线传感网络采集节点一般采用图 2-1 的节点

12、结构，它一般具有有限的能量供应，节点的处理能力，存储和计算能力也比较弱。相比其采集节点，汇聚节点功能较为增强。最终的汇聚节点一般具有可靠的能量供应，较强的通信能力，较大的存储能力。汇聚节点是增强功能的传感器节点，经常不进行监测，只是通过更多的内存和计算资源对数据进行汇总，处理，存储。2.2 路由协议传统计算机网络对路由协议要求如下：正确性，健壮性，稳定性，公平性，最优性。除此之外，无线传感器网络对路由协议更注重以下特殊要求：能源有效性，简单性，多路性。无线传感器网络是以数据为中心（Data Centric）进行路由的，不同于传统Ad hoc网络以地址为中心（Address Centric）进行

13、路由的模式。下图给出了这两种模式的区别： 图2-3两种路由模式区别2.2.1 平面路由协议平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入分层管理机制。平面结构路由的优点是网络中没有特殊的节点，网络流量均匀地分散在网络中，路由算法易于实现；缺点是可扩展性小，在一定程度上限制了网络的规模。1) SPINSPIN（Sensor Protocol for Information via Negotiation）是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决扩散法存在的不足。精品.SPIN有三种数据包类型，即ADV、RED和DATA。节点用ADV宣

14、布有数据发送，用REQ请求接收数据，用DATA封装数据，这三种包都包含了元数据。在发送一个DATA数据包之前，传感器节点首先向邻居节点广播ADV数据包；邻居节点在收到ADV后，通过元数据判断是否需要完整的DATA数据包，若需要则向该邻居节点发送一个REQ数据包，接着发送DATA数据包。以此类推，DATA数据包可被传输到远方汇节点或基站。SPIN协议簇有4种不同的形式：SPIN-PP（A 3-Stage Handshake Protocol for Point-to-Point Media）、SPIN-C（SPIN-PP with a Low-Energy Threshold）、SPIN-BC（

15、A 3-Stage Handshake Protocol for Broadcast Media）、SPIN-RL（SPIN-BC for Lossy Network）。因为不是本文讨论重点，在此不一一介绍。2) MTE在MTE（Minimum Transmission Energy）协议中，节点选择离自己平面距离最近的节点进行路由中转，如图2-4所示：图2-4 MTE中节点间距关系 当且仅当式（1）成立时，节点A会选择B转发自己的数据到节点C： 式（1）这种路由协议的优点是简单、开销小，每个节点只需要找到通往网关节点的下一跳节点，然后把数据发给它；缺点是靠近网关节点的传感器节点会一直担当路由

16、器的角色，节点之间负载不平衡。3) 定向扩散法定向扩散模型是Esrtin等人专门为传感器网络设计的路由策略,与已有的路由算法有着截然不同的实现机制。节点用一组属性值来命名它所生成的数据, Sink节点发出的查询业务也用属性的组合表示,逐级扩散, 最终遍历全网,找到所有匹配的原始数据。有一个称为“梯度”的变量与整个业务请求的扩散过程相联系,反映了网络中间节点对匹配请求条件的数据源的近似判断。更直接的方法是节点用一组标量值表示它的选择,值越大意味着向该方向继续搜索获得匹配数据的可能性越大,这样的处理最终将会在整个网络中为Sikn节点的请求建立一个临时的“梯度”场,匹配数据可以沿“梯度”最大的方向中

17、继回sikn节点。图2-5描述了定向扩散模型的工作原理。精品. 图2-5 定向扩散原理示意图2.2.2 层次路由协议层次路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间可以通过网关通信，网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是层次式路由协议中最具代表性的路由协议，LEACH协议分为两个操作阶段，即簇准备阶段（set-up phase）和就绪阶段（ready phase）。为了使能耗最小化，就绪

18、阶段持续的时间比簇准备阶段长。两阶段所持续的时间总和称为一轮图2-6 LEACH协议示意图精品.第三章 特点及应用优势33.1 无线传感器网络特点无线传感器网络的组成及应用场景和传统网络有较大的不同,是一种综合传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术为一体的网络,其特点及与传统网络的区别如下所述：3.1.1 无线传感器网络的主要特点是:v 以数据为中心:无线传感器网络中节点数目巨大,而且由于网络拓扑的动态特性和节点放置的随机性,节点并不需要也不可能以全局唯一的PI地址来标识,只需使用局部可以区分的标号标识。用户对所需数据的收集,是以数据为中心进行,并不依靠节点的标号。v 资源受限:无线传

19、感器网络中,节点只具有有限的硬件资源,其计算能力和对数据的处理能力相当受限。此外,节点只能携带有限的电池能量,且在应用过程中不可能更换电池,因此能量也相当受限。v 部署方式:无线传感器网络具有可快速部署的特点。节点一旦被抛撒即以自组织方式构成网络,无需任何预设的网络设施。v 维护:在通信过程中,节点会随时因为能源耗尽而离开网络,也可能因为某种需要而随时进入网络,从而引起网络拓扑的频繁变化,影响通信质量。无线传感器网络不仅可实现自动组网,还具有网络自动配置和自动维护功能,保证了网络的通信质量。v 多跳路由:网络中节点的电池能源非常有限,因此其通信覆盖范围一般只有几十米,即每个节点都只能与其邻居节

20、点进行通信。若需要与通信覆盖范围外的节点通信,则需要通过中间节点进行多跳路由。3.1.2 无线传感器网络与其他网络如移动通信网、Adhoc网络、因特网等相比有着如下区别: v 无线传感器网络中的节点数目更为巨大,密度更高,且节点不一定具有全球唯一的地址标识; v 无线传感器网络中的节点一般不进行快速移动,但节点可能会随时加入或离开,因而网络的拓扑变化很快;v 无线传感器网络大都采用点对点通信方式;v 无线传感器网络中节点的电池能量、计算能力和存储能力相当有限。精品.3.2 应用优势3.2.1 无线传感器网络在军事应用中的潜在优势表现在以下几个方面：v 部署方便快捷。传感器节点可以通过飞机投递或

21、者炮弹发射直接部署于敌方阵地内，近距离获取战场信息。v 隐蔽性。传感器节点是一种微型设备，其体积可以不超过1mm3，这一优势使得传感器节点不易被敌方发现。v 容错性。网络由大量廉价的传感器节点组成，使得网内存在许多冗余节点，为整个系统提供了较强的容错能力。v 准确性。传感器覆盖区域广阔，从不同空间视角采集多方位信息，具有更大的信噪比。v 无人值守。传感器节点密集分布于监测环境中，每个节点依靠自带电源或自主获取电源维持工作供电，采用启发式的节点唤醒/睡眠机制，无需人工值守，在恶劣的战场中能发挥重要作用。3.2.2 与独立的卫星和地面雷达系统相比,传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:v 分布节

22、点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比,这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一;v 传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力;v 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响;v 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标;v 多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域;v 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力,可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。精品.第四章 在军事领域的应用在军事领域，传感器网络将会成为C4ISRT（指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察、目标捕获）系统不可或缺的一部分。C4s

23、lRT系统的目标是利用先进的高科技技术,为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统,受到了军事发达国家的普遍重视.因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的,自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,这一点是传统的传感器技术无法比拟的,也正是这一点,使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括监控我军兵力、装备和物资,监视冲突区,侦察敌方地形和布防,定位攻击目标,评估损失,侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场,指挥员需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况,铺设的传感器将采集相应

24、的信息,并通过汇聚节点将数据送至指挥所,再转发到指挥部,最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中,对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的,通过铺设传感器网络,以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防,当然,也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地,在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。在生物和化学战中,利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间,从而最大可能地减小伤亡。传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射环境中。4.1 战场侦察与监视在敌方阵地附近道路、桥梁、港口等关键地区部署各种类型的传感

25、器，了解敌方动向，以及武器装备的部署情况。分布式传感器在军事领域的应用已有几十年的历史。在 20世纪60年代的越南战争期间，美军就使用了当时被称为“热带树”的无人值守传感器网络来对付北越的“胡志明小道”所谓“热带树”实际上是一个震动传感器和声传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，仅露出伪装成树枝的无线电天线。当人员、车辆等目标在其附近行进时，“热带树”便探测到目标产生的震动和声信息，并立即将信息数据通过无线电通信发送给指挥中心。指挥管理中心对信息数据进行处理后，得到行进人员、车辆等目标的地点位置规模和行进方向等信息然后进行指挥决策。“热带树”越战中的成功应用，促使许多国家战后纷纷研

26、制和装备各种无从值守的地面传感器系统(Unattended Ground Sensors,UGS),美军的远程战场监视传感器系统已经为USG的成功使用进行了验证。REMASS 使用了远距离监视传感器，由人工放置在敌人可能经过的道路。这些传感器可以对敌人的活动两句引起的信号做出响应，记录下诸如地面震动、声音、红外和磁场变化等物理量。可以在本地节点处理传感器获取的数据，以直接或通过无线中继设备把探测、分类的信息传输到传感器监视设备。传感器监视设备对收到的信息进行解调、解码、显示和记录，提供敌方活动的完整时间记录。此外用于战场侦察监视的还有美军计划中的灵巧传感器网络通信、战场环境侦察与监视系统等项目

27、(用于对付狙击手的枪声定位系统、用于探测低空飞行器的DSN系统、用于对电磁信号进行侦察与干扰的狼群系统等) 精品.4.2 战场态势感知现代战争被人们喻为“感知者的胜利”，在新的军事竞争背景下，掌控“透明战场”既是军事信息技术发展的必然结果，也是当今各军事强国的建设重点。 美国空军已经在战略计划制定部门中组建了态势感知特别工作组，提高部队的传感器分析和数据整合能力，并先后研制了快速攻击识别、探测和报告系统、战场感知广域视界传感器等感知系统。 美军的未来战斗系统为士兵提供全天候、全天识别目标的功能。 美军开展的其他类似项目还包括陆军“无人值守地面传感器群”、海军“传感器组网系统”等。 特别是自从阿

28、富汗和伊拉克战争以来，战争样式具有了更多的网络化作战成分，即大量采用IP和WEB技术。 美国近年来强调的“网络中心战”、“行动中心战”和“传感器到射手”等作战模式，都特别突出传感器组网来提高态势感知能力，将传感技术探测获得的目标信息通过网络系统传输给武器装备，为武器装备射击提供及时的信息，例如，美军开始研制的“战场感知与数据分发”系统就是用来演示和实践新型作战模式。4.3 核、生、化监测借助于生物和化学传感器，可以及早发现已方阵地上的生、化污染，可以较为安全地获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据，为已方组织防护提供快速反应时间从而减少损失。美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能

29、够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统集检测有毒气体和化学传感器和网络技术于一体。安装在车况的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视外，还可以通过Internet进行远程监视。4.4 装备、弹药、后勤物资管理利用无线传感器网络对军事装备、弹药等物资进行管理与调配，实现物资管理的“可视化”，可以在战场瞬息万变的情况下缩短供应时间，提高战场保障效率。比如在油库安装无线传感器节点设备，对油料进行监控，当油料缺少时报系统油

30、库缺油，进而工作人员就要及时补充油料，此举可以大大减少人力的支出，缩短了时间。在伊拉克战争期间，美军在后勤保障上应用了大量无线传感器网络，战争结束后美军军方进行数据统计，发现未使用无线传感器网络的物资调配要比使用无线传感器网络的浪费人力 30%，浪费时间25%。4.5 智能尘埃智能尘埃又名智能微尘（Smart Dust）。是一个具有电脑功能的超微型传感器，它由微处理器、双向无线电接收装置和能够组成一个无线网络的软件共同组成。智能微尘的发明者是美国加州大学伯克利分校教授Kristofer Pister。将一些精品.“微尘”散放在一个场地中，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。如果一个微

31、尘功能失常，其他微尘会对其进行修复。由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息，它能够仅依靠微型电池工作多年。智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动，可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。图4-1智能尘埃Michigan Micro Mote(即M)密歇根州大学电气与计算机科学系的David B

32、laauw团队打造的只有一个立方毫米的微型计算机，尽管尺寸非常小，但M3具有拍照、读取温度、记录压力读数等功能。然而米粒般大小并非是最终目标。在M3即将投产时，研发人员已经开始了新的项目，称之为“smart dust”（智能尘埃），体积有望缩减为微米标准精品. 图4-2 M3与硬币的对比图第五章 结束语5信息技术正推动着一场新的军事变革，信息化战争要求作战系统“看得明、反应快、打得准”，谁在信息的获取、传输和处理上占据优势，取得制信息权，谁就能掌握战争的主动权。无线传感器网络正是正是应此而生，必然在军界引起极大重视。虽然无线传感器网络的应用前景十分美好，但由于当前的技术瓶颈，无线传感器网络技术

33、在军事领域还不能大面积的广泛应用。其当前的研究热点主要有&网络体系结构、路由及数据分发、链路层协议、整合处理技术和数据库技术、功耗管理、定位技术等。需要解决的问题还很多，但可以展望未来无线传感器网络在军事领域中的蓬勃发展。第六章 调研照片精品. 李政鹏精品.第七章 参考文献 侯杨阳 无线传感器网络技术在军事领域中的智能化应用 侯杨阳精品. 张学，陆桑璐，陈贵海等无线传感网络拓扑控制软件学报，2007：943-945 张西红，周顺等无线传感网技术及其军事应用国防工业出版社，2010：260-290 贾玉福，石坚，董天临无线传感器网络密度控制研究计算机科学，2006：50-53 钱宇 无线传感器网

34、络的传感器定位及其在军事上的应用 2006 TinyOS:http:t/in如s.millennium.berkeley.edu. Hedetniemi S, Liestman A.A Survey of gossiping and boradcasting in communication networks.Networks,1988,18(4):319一349. 代宏阳，唐宏，胡锡鹏 无线传感器网络在军事领域的应用研究 Computer Knowledge and Technology 崔逊学,赵湛,王成,无线传感器网络的领域应用与设计技术 M.北京:国防工业出版社.2009 唐宏,无线传感器网络应用研究,中国通信学会国防通信技术委员会第六届学术年会论文集C.北京:电子工业出版社.2010 党月芳 无线传感器网络在军事领域中的应用研究. 信息通信2011年第3期 孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络M.北京：清华大学，2005 范茂军.传感器技术M.北京：国防工业，2008 崔莉，鞠海玲，苗勇等J.计算机研究与发展，2005，42(1)：163-5174 刘志辉 无线传感器网络在智能家居中的应用研究 2007.6精品. 陈志红 无线传感器网络路由协议分析 2009.1 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！精品