浅谈无线传感器网络应用于深空探测的一些关键技术

　　论文关键词:深空探测　无线传感器网络　动态功率管理(DPM)　动态电压调度(DVA)
    摘要:本文首先介绍无线传感器网络的基本概念，对无线传感器网络应用于深空探测所必须解决的一些关键技术做出较详细的分析，并从理论上给出了能量问题的解决方案。
　　0概述
    无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作实时监测感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息盈过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到处理终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通. MEMS支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景，在深空探测方面，无线传感器网络有着得天独厚的技术优势。借助于航天器布撒的无线传感器网络节点实现对星球表明长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。NASA的JPL ( JetPropulsion  Laboratory)实验室研制的SensorWebs’ 就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。本文首先介绍无线传感器网络的基本概念，然后对无线传感器网络应用于深空探测所必须解决的一些关键技术做出较详细的分析，并从理论上给出了能量问题的解决方案。
　　1无线传感器网络的基本概念
    图1所示为一个典型的传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点(群)、接收发送器、无线网络和远程控制管理中心等。其中，传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU，存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经由Sink节点(接收发送器)链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。

    传感器网络节点为一个微型化的嵌人式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台。目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议、802. 11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley  Motes，Sensoria  Wins，Berkeley  Pico-nodes， MIT uAMPs，SmartMesh Dust mote，InteliMote以及Intel Xscale nodes,  ICTCAS/HKUST的BUDS等。
　　2无线传感器网络应用于深空探测的一些关键技术
　　2.1物理层
    物理层的研究主要涉及无线传感器网络采用的传输媒体、频段选择以及调制方式。目前，采用的传输媒体主要有:无线电、红外线、光波等。

    无线电传输是目前无线传感器网络采用的主流传输方式，需要解决的问题有:频段选择、节能的编码方式、调制算法设计等。在频段选择方面，ISM频段由于具有无需注册、具有大范围的可选频段、没有特定的标准、可以灵活使用的优点，被人们普遍采用。与无线电传输相比，红外线、光波传输则具有不需要复杂的调制解调机制，接收器电路简单，单位数据传输功耗小等优点。但由于不能穿透非透明物体，只能在一些特殊的系统中使用。
    外层空间是一个非常恶劣的环境，由于没有地球大气层和臭氧层的保护，空间温差变化很大，各种辐射强烈，大大小小的流星横行，用于深空探测的无线传感器网络必须能够在恶劣环境(振动、加速度、高真空、低温、粒子辐射等)下工作。因此用于深空探测的无线传感器网络物理层一个极其重要的研究方向是:研究抗强电磁干扰、抗大冲击、高过载、能够适应极高、极低的温度环境的无线传感器网络电路设计方法。
　　2. 2传输层
    现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。参考文献分析了端到端错误恢复机制在无线多跳网络中的性能。仿真表明，随着无线信道质量的下降(信道错误率从I%上升到50%),端到端错误恢复机制的性能下降很快(发送成功率从90%下降到接近0)。
    目前，用于深空探测的无线传感器网络传输层的研究迫切需要解决的间题有:如何在深空振动、加速度、高真空、低温、粒子辐射等恶劣环境下，在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能、可靠、实时性高的数据传输服务。
　　2. 3能量问题
    能源问题是无线传感器网络面临的最大挑战，传感器节点的小尺寸限制了其携带的能量，进而限制了网络的使用寿命。用于深空探测的无线传感器节点处于无法接近的场所，导致无法频繁的更换节点的电源。
    深空环境下能源问题的解决有以下两个研究方向:
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第一个方向是采用再生能源为节点供电。但是节点所处的环境对再生能源的获取有很大的影响，必须根据不同的环境设计不同的获取再生能源的方法。
    ①对于围绕恒星运转，无阴阳面之分的星球和如月球等有阴阳面之分的星球的阳面，可以考虑利用太阳能电池和温差效益发动机来为节点提供能量。
    ②对于布散在有阴阳面之分的星球阴面的节点，由于不能接受到恒星的能量、常年温度很低，前面所说的太阳能源和温差效益在这种情况下无法利用，可以考虑如图2的一种获取能量的方法:

    如示意图2所示，布散在阴面的节点，可以利用人造行星反射恒星能量，然后利用太阳能源来获得节点的供电。
　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />   另外一个方向是从系统的角度采用采取节能措施，可以从以下两方面考虑:
   ①考虑到深空环境的温差变化很大，最低温度可能接近绝对零度。在这种情况下，可以考虑利用半导体材料的超导现象，节约能量。
    ②采用低功耗的能源高效器件、节能措施，从物理层面上延长节点使用寿命。低功耗与能源高效的区别是:低功耗用于度量每种时钟器件所消耗的功率，能源高效则用于度量执行每条指令器件所消耗的功率。
    从系统角度出发节省功耗，需要实现的关键技术有:
    (1)动态功率管理(dynamic power manage-ment，简称DPM)。
    在多数传感器网络的应用中，监测事件具有很强的偶然性，节点上所有的工作单元没有必要时刻保持正常工作状态，处于休眠状态，甚至完全关闭，必要时加以唤醒是一种有效的系统节能方案。
    (2)动态电压调度
    在文献中，有C. Lm等人提出的动态电压调度策略的主要原理是基于负载状态动态调节供电电压来减少系统功耗，并被应用到PDA之类的个人移动设备上。在文献中，提出了如图3所示的功率控制原理图。节点上的嵌人式操作系统负责调度来自不同任务队列的请求接受任务，并实时监控处理器的利用率和任务队列的长度，负载观测器依据这两参数的序列计算负载的标称值W，直流/直流变换器参照该值输出幅度为A的电压，支持处理器的正常工作。这构成了一个典型的闭环反馈系统。控制理论中成熟的方法可以为该系统各个模块的设计提供有力的支持。

　　2. 4其他关键技术
    除了以上问题外，还有许多关键技术必须注意，主要集中在网络拓扑协议和应用相关的共性技术上。文章由于篇幅的限制，在此不做详细的说明。
　　3结论
    深空探测具有非常重大的意义，它不仅可以展示一个国家的综合国力和科技水平，而且对月球的探测也是一项科技产出率非常高的伟大事业。此外，在军事上也有很重要的意义。
    本文从工程应用角度出发，将无线传感器网络用于深空探测，对存在的一些关键技术问题进行了详细的分析，并从理论上给出了能量问题的解决方案。因此，本文对解决无线传感器网络用于深空探测所存在的工程技术问题，具有一定的指导作用。
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