基于Ad Hoc的无线自组传感网集成技术研究

毋 丹

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

1 研究背景

美国防部2019年9月发布的《马赛克战：恢复美国的军事竞争力》报告提出，通过打造一个以具有先进计算能力为基础的传感器、前线作战人员和决策者组成的具有高度适应性的网络，该网络具有高度适应性，可根据战场情况的变化和作战需求，迅速自我聚合和分解，形成无限多的新组合[1]。

“马赛克战”战略构思正是基于Ad Hoc技术提出来的[2]。Ad Hoc源于美军用无线网络，该网络是自组织的，具有多点连跳、相对分布、相对动态以及自由移动的特性[3]。在Ad Hoc无线网络中，每个无线节点都同时具有无线路由器和转发器的功能，它们互相联结，四通八达，每个无线节点都同时连接多个与之相邻的其他无线节点，构成一个庞大的多点对等无线网络[4]。当某条节点线路被网络阻塞或无网络响应时，节点系统通过算法自主选择其他线路节点进行网络数据实时传输，从而不影响整个网络系统的正常访问，可靠性强。

随着时代的发展，Ad Hoc逐渐被推广应用到非军事领域，第一个应用就是无线传感网。无线传感网中的所有节点以系统集成的方式直接设置在实体对象（人、财、物）内部或附近，节点具有尺寸小、成本低、能耗低以及功能多等特点。由于传感器主要应用于所处现场环境的实时监测和态势感知，通常被安置在复杂环境场所，传感器在组网时无线通信传输是最佳选择。Ad Hoc网络中每个节点均具有自组织功能，各节点通过运筹学优化传播路径，多点连跳功能给低功耗的无线传感器在复杂通信环境下进行远距离传输提供了解决方案。运用多点连跳网络通信技术可以使分散在网络各处的节点传感器连接组成一个多点单跳、无数据中心以及自组织的对等通信网络，网络中任何一个被自动触发的节点传感器可根据需要被要求在其工作范围内自动激活其他节点传感器，达到对前后两个关联节点相互间的数据澄清和信息确认。通过实现相邻两个节点间不断的数据传输信息分发，最终网络可以自动生成一张现场环境下的实时拓扑网络图景，实现不同传感器之间与不同控制数据中心之间的实时通信。

这种“聚散随意、招之即来、来之能战”的联合作战模式，在核安全领域的核安保、核反恐、核应急、爆炸残留物检测、环境监测以及自动化控制等方面具有非常广阔的应用前景。

2 研究内容

2.1 总体技术路线和技术方案

总体技术路线及技术方案包括以下4点。一是基于Ad Hoc的多跳自组网技术研究；二是传感器网络客户端节点的结构及功能设计研究；三是节点传感器的模块化和集成化研究；四是客户端智能化引导技术研究。总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线

2.2 基于Ad Hoc的多跳自组网技术研究

基于Ad-Hoc的无线传感网络体系结构如图2所示。

图2 基于Ad-Hoc的无线传感网络结构

自动组织和处理中，各个节点通过预先制定的传感网络协议进行自动组网，形成一个具有拓扑结构的传感网络，该传感网络自主支持空间网络拓扑结构的不断变化，如邻近节点的内部动态空间移动、加入和节点退出[5]。

多跳路由通信中，每个无线通信传感器节点既可以是一个消息的直接发起者，也可以是其他节点发来消息的转发者。由于一般无线传感器每个节点的无线通信数据距离有限，因此只能与距离最近的邻居节点进行无线通信，而在与一定通信距离范围外的其他传感节点之间进行无线通信时，需要通过中间的节点进行多次路由中转来完成。

动态网络拓扑结构支持实时、动态重组，受无线通信环境恶劣或者传感器节点供电能源耗尽等因素影响，无线通信传感器节点会出现信号故障或能量失效，从而发生网络拓扑结构变化，而一个新的通信节点因数据监测需要也会被自动添加连接到当前网络中，从而也有可能直接改变整个网络的动态拓扑实时结构[6]。

对于用户而言，最关心的就是如何监测到各种事件在网络中所发生的时间和地点以及运行状态，网络中每一个节点或者是基站的软硬件架构，对于用户都来说是透明的。用户在使用Ad Hoc网络进行查询特定的事件时无需要向节点通知，这种以信息数据本身作为查询线索的设计思想保证了网络通信的安全性。

2.3 传感器网络客户端节点组成结构研究

微型无线传感器已经具备体积小和功耗低的基本特征，同时还逐步具备了视觉感知、计算控制能力以及网络无线通信控制能力。这些网络传感器可以实时感知周围环境，根据各个节点的构造和功能，包括了能源单元、传感器单元、数据处理单元、无线通信单元以及显示单元几个基本的单元，结构示意如图3所示。

图3 客户端节点的组成

2.4 节点传感器模块化研究

传感器节点在完成了对周围环境物体参数的测量之后，进行适当的调整和处理，将测量得到的值用无线形式传递给本节点周围的下一个节点，经过多次跳转传递后传至远端节点或者再次传回到控制中心。传感器各个节点准确地收集了环境中被检测到的参数和相应的数值并对其进行初步处理，可以进行声光报警和显示提醒等。无线传感器节点各模块的一般组成如图4所示。

图4 传感器模块硬件框图

其中，地理位置传感器通过获取节点的定位坐标来进行位置导航并为智能引导功能提供参数值；核辐射物理量传感器通过监测所处环境的环境辐射等级，对潜在的放射性物质进行探测和识别；核化学参数传感器通过监控周围空气中有毒工业化学气相的存在，对有毒化学物质进行提前探测、识别、量化以及警告。最可怕的生物恐怖活动之一就是有意释放雾化的生物战剂，生物毒性参数传感器实时探测出有害的生物气溶胶在处理整个生物威胁中成为非常重要的一步，它不仅可以及时发出警告，而且可以对释放的战剂做进一步分析并采取正确的药物应对措施。

2.5 客户端智能化引导技术研究

基于AR增强技术，结合客户端的当前地理位置信息实现客户端AR导航与显示，提供全景地图功能，进行态势可视化分析，提供辅助决策等功能。

3 关键技术及解决途径

3.1 自适应动态自组网算法研究

路由算法原理为每个节点都可以智能、及时地感知四周所有节点对信道访问的需求，节点和可能与自己发生相互碰撞冲突的其他节点之间进行智能协商，相互协调占用发送信道的先后顺序。路由算法流程如图5所示。

图5 路由算法流程

最优路由的解决途径如下，采用线性规则算法与凸性规则算法相结合的方式，先通过线性规则算法来获得最优路由的方向，再通过凸性规则算法来获得精确路由。双信道通信方式可以有效地解决网络中“隐藏节点和暴露节点”这一问题，利用数据通信信道接收到的数据信息,利用控制通信信道的手法来接收控制信号[7]。

3.2 多传感器信息融合处理技术研究

单一传感器因为自身存在工作空间和使用时间上的巨大限制而导致存在技术局限性，无法全面客观地反映整个检测目标对象。为了有效减少各个单一传感器在技术使用方面的相互干扰，需要将多种不同传感器所反馈的测量信息分别抽取出来进行合理的归类分析与融合使用，并通过融合分析冗余测量信息，更加充分、完善且客观、准确地反映了整个检测目标对象的技术属性，消除了冗余信息的技术不确定性，得到了整个观测对象环境中不仅有着较高的技术可行性而且又同时具有高度一致性的检测结果[8]。多传感器信息融合算法流程如图6所示。

图6 多传感器信息融合算法流程

3.3 开展AR导航定位与显示算法研究

目前，AR导航技术主要受制于软件和硬件两个方面，通过软件算法将虚拟的物体和真实的环境进行精准地定位；通过硬件设备将虚拟现实场景和真实的环境交织在一起来进行展示。

软件算法引入了SLAM的概率模型思想，针对虚拟物体和真实环境的定位问题，通过贝叶斯估计算法来解决SLAM的核心问题，即特征提取与跟踪、最优后验估计方法[9]。

SLAM指同步定位与建图技术，由感觉、定位以及构造图像3个步骤组成。感知是指处理器通过若干传感器来直接获取周围的环境信息；定位是指通过一种由传感器提供的当前和历史数据信息，进而推测到自身在地球上的位置和运动姿态；建图是指根据前面感知和定位这两个步骤得到的信息进行融合处理，描述出自己所在环境的情况[10]。

4 结 论

开展Ad Hoc多跳自组网技术、通信协议以及路由算法方面的研究，将所有热点组成网状对等网，通过多跳策略实现网络自愈功能。设计无线传感器节点组成的结构和功能，实现节点结构简单、体积小、功耗低以及具有一定计算能力的特点。研究多种类传感器模块化、集成化及小型化，全方位探测节点周围环境地理位置、辐射安全以及生化安全。此外，在客户端呈现方面开展AR增强技术相关研究，实现网络节点客户端AR导航、全景地图以及态势分析可视化等功能。