摘要
无线传感网络技术是未来火箭测量系统发展的关键技术之一，大规模的箭载无线传感网络技术是箭载测量系统的发展趋势。简单介绍了现有箭载无线传感器网络的应用以及目前国内对于箭载无线传感网络的研究现状，归纳了其技术特点，在此基础上提出了对新一代大规模箭载无线传感器网络设计的思路与相关技术，为进一步实现箭载测量系统的“无缆化”提供参考。
无线传感网络采用灵活、简易的无线通信方式，可以自发完成对监测区域的传感网络覆盖，在信息感知、数据传输中扮演着重要角
传感网络相当于火箭的“感官”和“神经”，是保证任务圆满完成最关键的部分之一。而传统的箭载传感网络都是由电缆相互连接，电缆铺设范围广，占据空间大，严重挤压舱内空间，大幅增加了火箭载
无线传感网络因其灵活性、低成本、微型化等特点，能有效弥补传统有线传感网络在火箭状态监测应用中的局限性。但火箭舱内的应用环境与民用场景存在较大的差异，在运载火箭舱内布设大规模无线传感网络主要有以下三个技术难点亟待突破。
箭上搭载的传感网络在采集速率、实时性、传输速率、通信距离等方面都有区别于一般应用要
无线传感网络是一个能量受限的网络，子节点多采用电池供电，一旦电池能量耗尽，子节点就无法工作。火箭舱内环境复杂，子节点一经布设便无法更换电池。如何在保证网络的业务质量良好、连通性完整、可靠性高、传输稳定的前提下，更有效地使用节点能源，使整个无线网络的生命更加持久，是箭载应用需要考虑的问题。
美国国家航空航天局(NASA)最早于1997年在航天飞机上验证了无线传感技术的可行性。随着技术的逐步完善，其在航天器微重力、振动、冲击、噪声、压力、过载等参数测量中都获得了应用。
图1 航天飞机机翼振动、温度参数无线传感和智能数据分析系统
Fig1 Aerospace craft wing unit parameter of temperature and vibration
系统包含66支三轴加速度传感器和22支温度传感器，测量数据通过无线通信技术传输至中继器，传感器侧的中继器通过RS-485总线将数据传输至乘员仓内的中继器，乘员仓侧的中继器再通过无线传输将数据传输至计算机进行分析，实现了数据融合和机翼结构智能健康监
国际空间站内无线传感器的应用也相对广泛，其太阳能组件内部关键电子元器件的温度参数由于需要实时监控，使用了无线温度监控系统，如
图2 国际空间站太阳能组件无线温度监控系统
Fig. 2 Wireless temperature monitoring system on ISS
国际对于无线传感网络在航天领域的研究一直都在进行，例如美国宇航局艾姆斯研究中心(ARC)通过搭建了一套无线传感系统，验证了基于IEEE 802.16.2网络架构，航天器搭载ZigBee无线传感网络的可行
无线传感网络技术在航天领域还处于起步和探索阶段，目前国内已使用无线传感系统的火箭有长征三号乙火箭、OS-X0火箭及天行一号火
长征三号乙火箭作为国内最早搭载无线传感网络的运载火箭，共搭载了8个用于环境测量的子节点，分别对温度、湿度、压力和高低频振动频率进行了测量，网络协议采用ZigBee协议和时分复用技术，使用休眠机制对能源进行了控制。此次对于箭上搭载无线传感网络的尝试具有跨时代的意义，但网络搭载节点数量少，使用的ZigBee协议传输速率低，不适用于未来在运载火箭中大规模搭载无线传感网络的趋势。
OS－X0火箭和天行一号火箭的无线传感网络由同一团队研发设计。网络采用超宽带(Ultra Wideband，UWB)通信技术，验证了其在舱内传输的可靠性，同时定制了专有协议以保证网络的低时延。天行一号系统相较OS-X0网络协议可适配多种测量参数。与ZigBee协议相比专有协议虽然更加轻量、可靠，但UWB技术带宽利用率低，且功耗大，无线子节点仍需用电缆供电，限制了网络的扩展性。
国内各高校机构也一直在做箭载无线传感网络的研究。2013年，北京邮电大学唐斌针对航天器的无线数据采集网络，设计了一个可以自适应星型、树型和链型拓扑结构的网络协
2018年，东南大学王飞设计了一种应用于航天器无线数据采集的网络层协议，该协议基于uIP协议栈，实现了星型速变类传感节点网络和最多三跳的网状缓变类传感节点网络的高可靠组网和传输功
图3 中北大学箭载力学节点内部结构
Fig. 3 The internal structure of arrow-borne mechanics node by the North University of China
2019年，北京遥测技术研究所崔思阳等人设计了一种基于CC430适用于航天器的星型无线传感网络，利用精准时间同步技术、低功耗侦听技术和休眠技术实现了网络的低功耗温度测
图4 北京遥测技术研究所箭载无线传感系统
Fig. 4 Arrow-borne wireless sensor system by Beijing Research Institute of Telemetry
2021年，哈尔滨工业大学罗五江基于IEEE 802.11协议，利用Wi-Fi技术实现了火箭舱内高速率数据采集技术研
2022年，中北大学李晋芳提出了一种通过修改底层射频参数从而拓展Sub-GHz芯片通信带宽的方法，实现了高速率低功耗的箭载无线传感网络系统设计，网络点对点码速率达2 Mbp
图5 段瑞枫等人设计的箭载无线传感网络
Fig. 5 Arrow-borne wireless sensor network designed by DUAN Ruifeng et al
目前，在对箭载无线传感网络的研究中，上述研究在无线网络的某些性能方面都有针对性的突破与实现，箭载无线传感网络研究现状与特点见
| 研究机构/作者 | 关键技术 | 通信频段 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 北京邮电大学 唐斌 | MAC层协议 | / | 自适应选择网络拓扑结构，但组网时延较高，且会随着网络节点数量的增加而增加。 |
| 东南大学 王飞 | uIP协议栈、RPL路由协议 | 2.4 GHz | 高可靠组网与数据传输，但节点IP数据包长度较长，协议复杂度较高。 |
| 中北大学 李慧 | Wi-Fi技术 | 2.4 GHz | 力学信号的无线传感网络。 |
| 北京遥测技术研究所 崔思阳 | 时分复用技术 | 433 GHz | 单一温度测量的低功耗无线传感网络。 |
| 哈尔滨工业大学 李钦鹤 | 超宽带技术 |
3.5 GHz ~6.5 GHz | 传输速率2.82 Mbps，但节点功耗高，仍需使用电缆进行供电。 |
| 哈尔滨工业大学 罗五江 | Wi-Fi技术 | 2.4 GHz | 传输速率3 Mbps，但节点功耗高，传输距离较短。 |
| 中北大学 朱志斌 | Sub-GHz技术 | 868 MHz | 传输速率50 Kbps，虽然网络功耗低，但带宽限制了大数据量的快速传输。 |
| 中北大学 李晋芳 | Sub-GHz技术 | 868 MHz | 传输速率2 Mbps，但使用基于竞争类的介质访问控制方案会使节点资源利用不均。 |
| 北京航空航天大学 段瑞枫 | 频分-时分复用技术 | 868 MHz、915 MHz | 传输速率400 Kbps，20 m内通信质量良好。 |
新一代运载火箭测量系统如想要大规模地部署无线传感网络，并具备火箭飞行过程中的测量能力，无线传感网络需要满足以下几个方面的技术要求：
① 网络容纳量大。大规模无线传感网络区别于一般无线传感网络的最显著特征即网络子节点数量众多，网络主节点应具有更强的任务、数据处理能力。
② 可拓展。箭载测量系统在不同的火箭型号和舱内场景下，监测参数和所需节点数量也不同，因此箭载大规模无线传感网络需要具备可以根据实际任务灵活实现节点组网及管理的功能。
③ 高可靠性。箭载无线测量系统网络内如果出现大量丢包或链路失效的情况，会导致严重后果。箭载无线传感网络需要运行在封闭且存在大量遮挡物和电磁干扰的金属空间内，且节点接收的数据量大，网络拓扑结构复杂，必须保证数据传输链路的稳定可靠，减少数据的丢包和误码。
④ 低功耗。为了满足无缆化要求和安装的便捷性，箭载无线传感网络子节点使用电池供电，需要尽可能减少能耗以延长网络的工作时间。
⑤ 多速率采集。箭载无线传感网络需要对火箭舱内多参数进行测量，各参数所需的采样率不同，需要分类设置子节点的采集速率以及传输速率。
节点部署是无线传感网络的基本问题，良好的部署方案可以实现节点更高效地完成感知环境、获取信息和传输数据等任务。
目前，无线传感网络部署策略主要包括确定部署和随机部署。箭载大规模无线传感节点的部署设计主要采用确定部署策略，根据任务测量需求，将子节点布置在确定的测量位置上。针对箭上大规模的无线传感网络，当节点间存在障碍物遮挡以及当某一节点布设距离较远时，有学者提出可以通过汇聚(中继)节点间接通信的方式确保网络连通
图6 汇聚节点传输示意图
Fig.6 Transmission diagram of sink node
由于火箭舱内存在许多载荷设备和信号传输线缆，舱内变压器、开关等设备形成的电磁场，会对无线传感网络覆盖与通信性能产生影响。要想实现箭载无线传感网络的高性能和低服务成本，就需要建立能准确表示传感节点在复杂环境下传感、通信能力的数学模型，根据模型进行汇聚节点的部署与选择，如
图7 多信道传输示意图
Fig.7 Schematic diagram of multi-channel transmission
无线通信中，小于1 GHz的频段被称为“Sub-GHz”。在射频领域中，波长与频率成反比，因此同其他技术作对比，Sub-GHz在穿透能力和长距离通信上有着独特的优势，且Sub-GHz技术的功耗低于其他通信技术。各无线传感网络通信技术比较见
| 类型 | Wi-Fi | Bluetooth | ZigBee | UWB | Sub-GHz |
|---|---|---|---|---|---|
| 通信距离 | 约50 m | 约10 m | 50 m~200 m | 10 m~20 m | 10 km |
| 通信带宽 | 1 Mbps~500 Mbps | 1 Mbps | 250 kbps | 300 Mbps | 0.3 kbps~4 Mbps |
| 工作频段 | 2.4 GHz/5 GHz | 2.4 GHz | 2.4 GHz | 3.1 GHz~10.6 GHz | 低于1 GHz |
传统的基于调度类MAC协议主要有频分多址接入(Frequency Division Multiple Access, FDMA)、时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)和码分多址接入(Code Division Multiple Access，CDMA)三
| 协议 | 特点 | 缺陷 |
|---|---|---|
| SMACS/EAR | 相邻节点在不需要中心节点的情况下组成子网并建立传输/接受调度表，链路由随机选择的时隙和固定分配的频点组成。EAR 算法用来为节点提供不间断的服务。 | 从属于不同子网的节点可能永远得不到通信的机会。EAR算法只用于整体上保持静止，或移动节点周围有多个静止节点的网络。 |
| DE-MAC | 用选举包和能量状态包来交换能量信息，由能量信息来决定节点占有传输时隙的数量。选择能量最低的节点为“赢家”，使其具有更多的睡眠时间，通过变换的“赢家”实现节点间的能力平衡，延长网络的生命周期。 | 子节点只在其占有时隙且无传输时才能进入睡眠。而其在邻居节点占有的时隙内即使没有数据传输，也必须处于活动状态。 |
| TRAMA | 首个提出并实现能量感知的调度类协议。协议使用流量信息建立传输调度表并将其发送给子节点，根据调度表子节点可以判断何时进入接收模式或睡眠模式，避免了中心节点的接收冲突。 | 协议决定哪个节点为传输节点需要一个选举算法。该算法复杂性较高，执行过程中需要传输额外的调度信息，导致延迟的增加。 |
| FLAMA | 协议将整个信道访问过程分成两个周期，一个是基于竞争的随机访问方式，另一个是基于调度的访问方式。其中，随机访问方式用于发现邻居节点，同步节点时钟以及交换流量信息；调度访问方式用于传输数据。 | 用于发现邻居节点的随机访问方式增加了组网网络和数据传输路径的不确定性。 |
箭载无线传感网络具有实时性强、短时突发、高速率传输的特点，故协议设计更具挑战性。首先，布设在火箭舱内的节点间链路状态不稳定，具有时间和空间上的不可预测性；其次，箭载大规模传感网络需要确保长期稳定工作；最后，无线节点数据处理能力和通信带宽有限，存储空间较小，协议要尽量简单并降低存储开销。
上述基于调度类的介质访问控制方案由于灵活度低、算法复杂度高、信道利用率低等特点，并不适用于箭载大规模无线传感网络。为了满足箭载环境下大规模无线传感网络的应用需求，实现针对不同传感器类型、传输速率、布设距离、遮挡情况下的子节点数据传输调度，可以采用时分复用-频分复用(Time Division Multiplexing-Frequency Division Multiplexing，TDM-FDM)技术实现多参数无线传感器组网设计，多信道传输如
该技术为时分复用和频分复用的复合。时分复用技术在节点通信中维护着一个特殊的节点帧，类似于时分多址中的时隙分配表，节点据此调度它与相邻节点间的无时间冲突的通信。频分复用技术为多个节点提供不同的传输信道，使不同频率节点可以同时通信，在扩大网络容量的同时有效避免了通信冲
如何在保证网络的业务质量良好、连通性完整、可靠性高、传输稳定的前提下，充分使用子节点电量，使整个网络的生命更持久，是箭载大规模无线传感网络关键问题之一。可从如下方面进行设计考虑：
① 嵌入式操作系统简化与共享缓存技术
现有的嵌入式操作系统对于无线节点而言属于高消耗系统，通过采用单一的通信任务模式和低消耗堆栈，可以降低内存和代码空间的消耗。此外，使用共享缓存技术，实现数据在任务间的全局应用，可有效提高数据访问速度，降低CPU使用负担。
② 基于duty-cycle的设备深度休眠机制
在整个无线通信过程中，节点在一个时隙内用于接收或发射的时间只占一部分，且不是每个时隙都有接收和发射的任务。通过将射频任务划分为duty-cycle，让其在没有收发任务的时间内关闭，避免因长时间开启射频而造成的射频能耗。
解决能量问题不能仅增加各节点的能量，应该要从不同的角度出发，包括硬件节能、软件节能、路由协议、网络结构、节点的覆盖和休眠、中心节点的调度算法等，使节点有良好的工作/休眠方式，降低节点的能耗与能耗增加幅度，这是解决能量问题的关键。
无线传感网络作为一个近年来广受关注的技术，目前已经在智能家居、医疗、军事等领域有了相对广泛的应用。在我国的航天领域中，也对无线传感网络有了一些尝试性的探索，但要想在火箭舱的复杂恶劣环境下，部署大规模的无线传感网络，并保证网络的准确、稳定的运行，还需要在现有成熟的无线传感网络技术上有适用于箭载环境的针对性的突破与研究。
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