基于超宽带技术的无线传感器网络( 四 ) _云知道

Sensor-MAC、Timeout-MAC、Wise-MAC、Berkley-MAC和Data-gathering MAC是目前无线传感网比较有代表性的MAC协议。另外，低成本、低功耗、低数据率的无线互联标准IEEE 802.15.4也对MAC协议做了具体的规范。超宽带无线传感器网络可以从UWB基本的信道划分方式入手，利用超宽带无线电的多址方式(跳时多址等)，结合上述的现有MAC协议，并考虑UWB技术自身的定位功能，研究低功耗、分布式、各方面性能比较平衡的MAC协议。
3.3 路由协议
路由协议的任务是在传感器节点和接收发送节点之间建立路由，可靠地传递数据。由于无线传感网资源受限，因此路由协议的设计原则是算法简单，不能在节点保存太多的状态信息，节点间不能交换太多的路由信息。目前有代表性的路由协议包括Flooding/Gossiping协议、SPIN协议、定向扩散协议、LEACH协议和TEEN协议等。可以结合UWB技术的精确定位能力，利用位置信息将数据中转到目标区域，从而不必为了找到目标节点向全网广播数据。另外，利用节点间的相对距离，可以为数据报选择更节省能量的路径。
3.4 高精度测距定位技术
根据定位机制，可将现有的无线传感器网络自身定位算法分为两类：Range-based和Range-free，即基于测距技术的定位算法和无需测距的定位算法。前者通过测量节点间点到点的距离或者角度信息，使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算节点位置；后者无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现。无需测距定位机制在成本、功耗等方面具有优势，但精度较低，主要算法包括质心算法、凸规划算法、DV-Hop、Amorphous、MDS-MAP和APIT算法等。UWB脉冲的宽度在1 ns以下，占用的带宽在1 GHz以上，采用时间到达(TOA)方法测距，理论上可以达到厘米级的测距精度[3] 。但在复杂多径和非视距(NLOS)的影响下，UWB的测距和定位精度很难达到理论极限，选择性能代价比高的定位机制和节省能耗的定位跟踪算法是目前急需解决的问题。通过结合MAC和路由协议的设计，可实现无线传感器网络高精度的测距、定位和跟踪。
3.5 协议栈优化和跨层设计思路
在保证一定的系统通信性能(传输速率、延迟、丢包率等)的前提下，优化的协议栈设计会直接支持网络能量治理的优化。无线传感器网络的协议栈优化必须针对不同应用环境，结合容错性、抗干扰性和功耗等要害指标的要求进行全局跨层设计。在研究超宽带无线传感网的体系结构时，要根据实际的应用场合，考虑UWB无线电的特点，结合数据收集、数据融合、目标定位/跟踪以及查询和治理等具体要求，探索具有自组织、分布式和跨层优化能力的超宽带无线传感器网络体系。

4 结束语
UWB技术和无线传感器网络是两个新兴的热点研究课题，两者可以形成天然的结合。基于UWB技术的无线传感器网络具备一些传统无线传感网无法比拟的优势，将成为下一代无线传感器网络的发展方向，具备广阔的应用前景。

5 参考文献
[1] Akyildiz I F,Su Weilian, Sankarasubramaniam Y, et al. A Survey on Sensor Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(8):102—105.
[2] Oppermann I,Stoica L, Rabbachin A, et al. UWB Wireless Sensor Networks: UWEN — a Practical Example [J]. IEEE Communications Magazine, 2004,42(12):27—32.
[3] Woo Cheol Chung, Dong Sam Ha. An Accurate Ultra-Wideband (UWB) Ranging for Precision Asset Location [A]. Proceedings of the IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies [C]. Reston (VA, USA), 2003. Piscataway (NJ, USA): IEEE,2003.389—393.
作者简介： 【基于超宽带技术的无线传感器网络】吴微威，中国科学技术大学无线网络通信实验室在读博士生，研究方向为UWB、无线传感器网络等。

基于超宽带技术的无线传感器网络( 四 )

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