面向國防應(yīng)用的安全和可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　摘要：傳感器為眾多的軍用系統(tǒng)提供了實際接口，從監(jiān)控和武器控制一直到遙控運載器等均在其列;而在幕后，部署了成百甚至上千的傳感器用于監(jiān)視軍事裝備或設(shè)施。傳統(tǒng)上，這些大型傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全和可靠連接需要進(jìn)行硬連線安裝，而如今的無線技術(shù)則有可能提供一種靈活性更高且成本更低的解決方案。

　　無線傳輸挑戰(zhàn)

　　鑒于這篇文章的寫作目的，我們將縮小重點討論的范圍，以飛機(jī)或船舶上的健康狀況監(jiān)測ªö用“機(jī)載或艦載”傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為研究對象。此類網(wǎng)絡(luò)通常具有低數(shù)據(jù)速率的特點，其中傳感器被安放在固定和有可能不易接近的位置，負(fù)責(zé)測量諸如振動、溫度、壓力、應(yīng)變和加速度等物理條件。現(xiàn)行的有線傳感器解決方案提供了一定的傳感器覆蓋率，可是，電線安裝成本高昂，而且布線會造成重量增加，這兩個因素共同作用的結(jié)果導(dǎo)致傳感器的使用范圍僅限于期望覆蓋區(qū)域的一小部分。無線解決方案要想切實可行，就必須滿足這種苛刻環(huán)境的嚴(yán)格要求。

　　理想情況下，典型傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備中的壽命將達(dá) 10 年，而設(shè)備本身在 30 年或更長的時間里也許需要進(jìn)行數(shù)次整修或升級。傳感器和無線電線路應(yīng)當(dāng)是免維護(hù)的，而且最好是具有非常低的功耗以便采用電池和能量收集技術(shù)來供電，從而實現(xiàn)“無電纜式”安裝。

　　保密和安全自然是非常重要;如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要取代有線網(wǎng)絡(luò)，則其必須具備安全的消息傳遞能力以及針對非法入侵和欺詐式外部攻擊¦Ó§@¥X防護(hù)能力。

　　消息傳遞的可靠性也是至關(guān)緊要;具有錯綜復(fù)雜的金屬艙和密閉空間的典型機(jī)載或艦載軍事環(huán)境對無線傳輸提出了一些重大的挑戰(zhàn)。眾所周知，點對點無線電通信具有不可預(yù)知性，而且將受到 RF 干擾、多徑衰落、路徑阻塞以及特殊情況下節(jié)點徹底失效的影響。當(dāng)節(jié)點以網(wǎng)格配置時，如果采用多個頻道以避開干擾就可以解決這些問題，而且能識別阻塞的路徑和缺失的節(jié)點，并自動重新配置傳送路徑。

　　如果可以利用一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來滿足上述要求，帶來的好處將是巨大的。單單是安裝成本的節(jié)省常常就足以證明使用無線技術(shù)的合理性，因為電纜的鋪設(shè)成本可達(dá)傳感器自身成本的 10 倍以上。此外，隨著傳感器覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大，機(jī)器健康狀況監(jiān)測可大幅縮減系統(tǒng)故障停機(jī)時間、改善機(jī)械效率并實現(xiàn)可預(yù)知的維護(hù)。

　　無線技術(shù)選擇

　　可供考慮的技術(shù)選擇有幾種;衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)可適用于傳感器間距很大的戶外應(yīng)用，但在封閉的機(jī)載或艦載環(huán)境中則不適合。另外，它們還具有最高的每數(shù)據(jù)包能量成本，而且或許要求數(shù)據(jù)通過第三方網(wǎng)絡(luò)運營商，這可能使安全問題復(fù)雜化。

　　另一種選擇是 WiFi (IEEE 802.11b, g)，其提供的每數(shù)據(jù)包能量成本比衛(wèi)星或蜂窩技術(shù)低得多，但與傳統(tǒng)的移動數(shù)據(jù)使用相比，它通常需要較高的接入點密度以利用固定傳感器實現(xiàn)可靠的通信。作為折衷，在采用較少數(shù)¥Ø¦Ó較高功率節(jié)點比采用大量的低功率節(jié)點更為可取時，此類解決方案會很適合。

　　還有不少基于 LR-WPAN (低速率無線個人局域網(wǎng)) 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.15.4 的解決方案，包括凌力爾特的 Dust Networks^® 產(chǎn)品線。802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)非常適合于具有相對較低數(shù)據(jù)速率 (250kbps 以下) 和短數(shù)據(jù)包長度的低功耗、短程傳感器網(wǎng)絡(luò)運作。