面向國防應用的安全和可靠無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　摘要：傳感器為眾多的軍用系統提供了實(shí)際接口，從監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視軍事裝備或設施。傳統上，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(xiàn)安裝，而如今的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸挑戰

　　鑒于這篇文章的寫(xiě)作目的，我們將縮小重點(diǎn)討論的范圍，以飛機或船舶上的健康狀況監測ªö用“機載或艦載”傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用為研究對象。此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )通常具有低數據速率的特點(diǎn)，其中傳感器被安放在固定和有可能不易接近的位置，負責測量諸如振動(dòng)、溫度、壓力、應變和加速度等物理條件?，F行的有線(xiàn)傳感器解決方案提供了一定的傳感器覆蓋率，可是，電線(xiàn)安裝成本高昂，而且布線(xiàn)會(huì )造成重量增加，這兩個(gè)因素共同作用的結果導致傳感器的使用范圍僅限于期望覆蓋區域的一小部分。無(wú)線(xiàn)解決方案要想切實(shí)可行，就必須滿(mǎn)足這種苛刻環(huán)境的嚴格要求。

　　理想情況下，典型傳感器網(wǎng)絡(luò )在設備中的壽命將達 10 年，而設備本身在 30 年或更長(cháng)的時(shí)間里也許需要進(jìn)行數次整修或升級。傳感器和無(wú)線(xiàn)電線(xiàn)路應當是免維護的，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(lái)供電，從而實(shí)現“無(wú)電纜式”安裝。

　　保密和安全自然是非常重要;如果無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )要取代有線(xiàn)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防護能力。

　　消息傳遞的可靠性也是至關(guān)緊要;具有錯綜復雜的金屬艙和密閉空間的典型機載或艦載軍事環(huán)境對無(wú)線(xiàn)傳輸提出了一些重大的挑戰。眾所周知，點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)電通信具有不可預知性，而且將受到 RF 干擾、多徑衰落、路徑阻塞以及特殊情況下節點(diǎn)徹底失效的影響。當節點(diǎn)以網(wǎng)格配置時(shí)，如果采用多個(gè)頻道以避開(kāi)干擾就可以解決這些問(wèn)題，而且能識別阻塞的路徑和缺失的節點(diǎn)，并自動(dòng)重新配置傳送路徑。

　　如果可以利用一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)滿(mǎn)足上述要求，帶來(lái)的好處將是巨大的。單單是安裝成本的節省常常就足以證明使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的合理性，因為電纜的鋪設成本可達傳感器自身成本的 10 倍以上。此外，隨著(zhù)傳感器覆蓋區域的擴大，機器健康狀況監測可大幅縮減系統故障停機時(shí)間、改善機械效率并實(shí)現可預知的維護。

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)選擇

　　可供考慮的技術(shù)選擇有幾種;衛星和蜂窩技術(shù)可適用于傳感器間距很大的戶(hù)外應用，但在封閉的機載或艦載環(huán)境中則不適合。另外，它們還具有最高的每數據包能量成本，而且或許要求數據通過(guò)第三方網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商，這可能使安全問(wèn)題復雜化。

　　另一種選擇是 WiFi (IEEE 802.11b, g)，其提供的每數據包能量成本比衛星或蜂窩技術(shù)低得多，但與傳統的移動(dòng)數據使用相比，它通常需要較高的接入點(diǎn)密度以利用固定傳感器實(shí)現可靠的通信。作為折衷，在采用較少數¥Ø¦Ó較高功率節點(diǎn)比采用大量的低功率節點(diǎn)更為可取時(shí)，此類(lèi)解決方案會(huì )很適合。

　　還有不少基于 LR-WPAN (低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)) 標準 IEEE 802.15.4 的解決方案，包括凌力爾特的 Dust Networks^® 產(chǎn)品線(xiàn)。802.15.4 標準非常適合于具有相對較低數據速率 (250kbps 以下) 和短數據包長(cháng)度的低功耗、短程傳感器網(wǎng)絡(luò )運作。