无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络基本概况

1.1无线传感器网络概述

微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS)

片上系统(SystemonChip，SOC)

无线通信技术和低功耗嵌入式技术

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)

WSN特点：低功耗、低成本、分布式和自组织等。

1.1.1无线传感器网络的产生与发展

无线传感器网络(简称无线传感网)的研究起源：20世纪70年代，只能捕获单一信号，简单的点对点通信。

无线传感器网络最早应用于军事领域，比如战场监测。案例：“胡志明小道”血腥较量。

20世纪80年代至90年代期间，美国国防部启动了分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等，这些系统主要由卡内基梅隆大学、匹兹堡大学和麻省理工学院等承担，从而建立一个由空间分布的低功耗传感器节点构成的网络，节点之间能相互协助并自主运行，传递待处理的信息。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此，1999年，《商业周刊》将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一和改变世界的十大技术之一。

进入21世纪，尤其是“9·11事件”之后，无线传感器网络技术特点:网络传输自组织、节点设计低功耗。

2001—2005年期间，美军执行了“灵巧传感器网络通信计划”，其设计思想是：在战场上布设大量的无线传感器节点以收集和传输信息，并对原始数据进行筛选，再将关键的信息传送至各个信息融合中心，从而将大量的信息集成为一幅战场信息图，使参战人员能够实时了解战场态势。2002年，英特尔公司制定了“基于微型传感器网络的新型计算的发展规划”，致力于微型传感器网络在医学、环境监测等领域的应用。2003年，美国国家自然科学基金委员会制定设立无线传感器网络专项研究计划，并在加州大学洛杉矶分校设立“无线传感器网络研发中心”，与康奈尔大学伯克利分校、南加州大学等联合开展了“嵌入式智能传感器”的研究项目。由于无线传感器网络在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。无线传感器网络除了应用于军事领域、反恐活动以外，在航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域也应用广泛。

我国的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究专题报告》之一的《信息与自动化领域研究报告》中，是该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，并通过该中心在无线传感器网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，初步建立无线传感器网络系统研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。相关成果于2004年进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中得到应用。

2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个就与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组网技术。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮，如清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和哈尔滨理工大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作；一些企业如中国移动公司、中国联通公司、中兴通讯公司、华为技术有限公司等也加入无线传感器网络研究的行列，并已在许多领域开展了示范和实际应用。

1.1.2无线传感器网络的含义与作用

无线传感器网络综合了无线传感器技术、嵌入式计算技术、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地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，然后通过嵌入式系统对信息进行处理，最后通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。

无线传感器网络是由大量部署在监测区域内的、具有无线通信与计算能力的微小、廉价传感器节点，通过自组织方式构成的，能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。无线传感器网络节点间距离很短，一般采用多跳(Multi-hop)的无线通信方式进行通信。

无线传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。无线传感器网络的作用是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息并发送给监测者。无线传感器、感知对象和监测者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器能够获取监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)；感知对象是指在监测区域内的需要感知的具体信息载体；监测者不仅包括观测者，还包括监测信息处理中心的软硬件等系统。

无线传感器网络的作用主要包括三个方面：信息感应、信息通信和信息计算(包括硬件、软件、算法)。信息感应是通过传感器将感知对象的非电量信息转化为可以无线发送的电量信息；信息通信是通过无线通信协议将感应的信息发送至目的地；信息计算是依据系统的硬件、软件和算法对传送来的信息进行数据处理、整理和应用。1.2物联网与WSN的关系

近几年出现了与无线传感器网络密切相关的新概念——物联网(InternetofThings,IoT)，它已成为各国构建经济社会发展新模式和重塑国家综合竞争力的新兴信息产业。

1.2.1物联网的产生与发展

物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司研制的网络可乐贩售机(NetworkedCokeMachine)。1991年美国麻省理工学院(MIT)的KevinAshton教授首次提出物联网的概念，1995年比尔·盖茨在《未来之路》一书中也曾提及物联网，但未引起广泛重视。1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心(Auto-ID)”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。早期的物联网是依托射频识别(RFID)技术的物流网络，随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。

2004年，日本总务省(MIC)提出“u-Japan”战略，该战略的理念是以人为本，实现人与人、物与物、人与物之间的连接，希望将日本建设成一个“随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会”。

2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发布《ITU互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概念。物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再局限于RFID技术。

2006年，韩国确立了“u-Korea”计划，该计划旨在建立无所不在的社会(UbiquitousSociety)，在民众的生活环境里建设智能型网络(如IPv6、BcN、USN)和各种新型应用(如DMB、Telematics、RFID)，让民众可以随时随地享有科技智慧服务。2009年，韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新增长动力，提出到2012年实现“通过构建世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标。

2008年，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，将目光放在了物联网上。在中国，同年11月在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”上提出了移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并带动了经济社会形态、创新形态的变革，推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新(创新2.0)形态的形成，创新与发展更加关注用户、注重以人为本。而“创新2.0”形态的形成又进一步推动了新一代信息技术的健康发展。

2009年，欧盟委员会发布了《欧盟物联网行动计划》，描绘了物联网技术的应用前景，提出欧盟政府要加强对物联网的管理，促进物联网的发展。

2009年，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”。作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。

2009年，IBM大中华区首席执行官钱大群在IBM论坛上公布了名为“智慧地球”的最新策略。此概念一经提出，即得到美国各界的高度关注，甚至有分析认为IBM公司的这一构想极有可能上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。“智慧地球”战略被不少美国人认为与当年的“信息高速公路”有许多相似之处，同样被他们认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。该战略能否掀起如当年互联网革命一样的科技和经济浪潮，不仅为美国关注，更为其他国家所关注。

2009年8月，温家宝总理“感知中国”的讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮。无锡市率先建立了“感知中国”研究中心，中国科学院、部分运营商、多所大学在无锡建立了物联网研究院，无锡市江南大学还建立了全国首家实体物联网工程学院。自温总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，并写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了极大的关注，其受关注程度是美国、欧盟以及其他各国无可比拟的。物联网的概念已经是一个“中国制造”的概念，它的覆盖范围与时俱进，已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签。

我国对新一代信息技术十分重视，已形成支持新一代信息技术的一些新政策措施，从而推动我国经济的发展。物联网作为一个新经济增长点的战略新兴产业，具有良好的市场效益。《2014—2018年中国物联网行业应用领域市场需求与投资预测分析报告》数据表明，2010年物联网在安防、交通、电力和物流领域的市场规模分别为600亿元、300亿元、280亿元和150亿元，2011年中国物联网产业市场规模达到2600多亿元。

1.2.2物联网的含义

物联网概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，国际电信联盟(ITU)发布的《ITU互联网报告2005：物联网》对物联网做了如下定义：物联网即通过射频识别(RFID或RFID+互联网)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、智能感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。随着科技的不断发展，物联网的内涵不断扩展，现代意义的物联网可以实现对物的感知识别控制、网络化互联和智能信息处理的有机统一，从而形成高智能决策。

根据国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决物品与物品(ThingtoThing,T2T)、人与物品(HumantoThing,H2T)、人与人(HumantoHuman,H2H)之间的互联。但是，与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接，从而使得物品连接更加简化；而H2H是指人与人之间不依赖于PC而进行的互联。因为互联网并没有考虑到对于任何物品连接的问题，故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。物联网，顾名思义就是连接物品的网络，许多学者在讨论物联网时，经常会引入一个M2M的概念，它可以解释为人到人(MantoMan)、人到机器(MantoMachine)、机器到机器(MachinetoMachine)。从本质上而言，人与机器、机器与机器的交互，大部分是为了实现人与人之间的信息交互。

2011年，我国工信部发表的《物联网白皮书》中将物联网定义为：物联网是通信网和互联网的拓展应用及网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

从其定义可知，物联网涵盖了当今所有的信息技术，它与计算机、互联网技术相结合，实现物体与物体之间的环境、状态信息实时地共享，以及智能化地收集、传递、处理、执行。广义上说，当下涉及信息技术的应用都可以纳入物联网的范畴。而在其著名的科技融合体模型中，提出了物联网是当下最接近该模型顶端的科技概念和应用。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，它具有智能、先进、互联三个重要特征。

1.2.3物联网体系结构

物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成，如图1-1所示。

图1-1物联网网络架构

感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。网络层主要实现信息传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

物联网涉及感知、测控、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电系统等许多技术领域，因此物联网体系的关键技术可划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术。1.2.4WSN与物联网的关系

目前，有人把无线传感器网络和物联网的概念混为一谈，认为无线传感器网络就是物联网，也有人认为二者有一点区别，那么，应如何理解二者的关系呢？

从1.2.2节可知，物联网是通信网和互联网的拓展应用及网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝连接。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。

而无线传感器网络所使用的硬件首先是传感器，用于感知震动、温度、压力、声音等，然后结合无线通信技术与通信或组网模块构成独立网络。WSN不可能做得太大，只能在局部的地方使用，例如战场、地震监测、建筑工程、保安、智能家居等。但是，物联网就大得多，它可以把世界上任何物品通过电子标签和网络联系起来，是一种“无处不在”的概念，与当前蓬勃发展的电子商务、网络交易有关，将贡献于全球经济并造福于全人类。

无线传感器网络与物联网的对比如表1-1所示，表中所说的基础网络是指已经铺设的、广泛应用的移动网、电信网和互联网等。

由表1-1可知，物联网的概念内涵比无线传感器网络的要大一些，无线传感器网络是构成物联网感知层和网络层的内容之一，是物联网的重要组成部分。

表1-1无线传感器网络与物联网的对比1.3WSN与互联网的关系

WSN与互联网也有着密切的关系，如果把互联网(物联网完全依托在互联网上)比作人体，那么RFID可以视为“眼睛”，WSN可以视为“皮肤”。RFID解决“WHO”，利用应答器实现对物品的标志与识别；而WSN解决“HOW”，利用传感器实现对物体状态的把握；眼睛可以识别，皮肤可以感觉，眼睛的功能不在于感觉温度的变化，而皮肤的功能也不是用来辨别哪个人或哪件东西。WSN利用无线技术可以自成体系地单独使用，也可以作为互联网的“神经末梢”。

1.3.1互联网内涵的理解

互联网(Internet)始于1969年美国的阿帕网，又称网际网路，或音译因特网、英特网，是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。这种将计算机网络互相连接在一起的方法称作“网络互联”，在这基础上发展出覆盖全世界的全球性互联网络称为互联网，即互相连接在一起的网络。互联网并不等同万维网，万维网只是一个基于超文本相互连接而成的全球性系统，是互联网所能提供的服务之一。

互联网是美军在ARPA(美国国防部高级研究计划署)制定的协定下将美国西南部的大学UCLA(加利福尼亚大学洛杉矶分校)、StanfordResearchInstitute(斯坦福大学研究学院)、UCSB(加利福尼亚大学)和UniversityofUtah(犹他州大学)的四台主要的计算机连接起来。这个协定由剑桥大学的BBN和MA执行，在1969年12月开始联机。互联网是全球性的，这就意味着这个网络不管是谁发明了它，都是属于全人类的。这种“全球性”并不是一个空洞的政治口号，而是有其技术保证的。互联网的结构是按照“包交换”的方式连接的分布式网络。因此，在技术的层面上，互联网绝对不存在中央控制的问题。也就是说，不可能存在某一个国家或者某一个利益集团通过某种技术手段来控制互联网的问题。反过来，也无法把互联网封闭在一个国家之内，除非建立的不是互联网。

然而，与此同时，这样一个全球性的网络必须要有某种方式来确定连入其中的每一台主机，在互联网上绝对不能出现类似两个人同名的现象。这样就需要有一个固定的机构来为每一台主机确定名字，由此确定这台主机在互联网上的“地址”。然而，这仅仅是“命名权”，这种确定地址的权力并不意味着控制的权力。负责命名的机构除了命名之外，并不能做更多的事情。同样，这个全球性的网络也需要有一个机构来制定所有主机都必须遵守的交往规则(即协议)，否则就不可能建立起全球所有不同的电脑、不同的操作系统都能够通用的互联网。下一代TCP/IP协议将对网络上的信息等级进行分类，以加快传输速度(比如，优先传送浏览信息，而不是电子邮件信息)，就是这种机构提供的服务的例证。同样，这种制定共同遵守的“协议”的权力，也不意味着控制的权力。毫无疑问，互联网的所有这些技术特征都说明对于互联网的管理完全与“服务”有关，而与“控制”无关。

事实上，互联网还远远不是我们经常说到的“信息高速公路”。这不仅因互联网的传输速度不够，更重要的是互联网还没有定型，还一直在发展、变化。因此，任何对互联网的技术定义也只能是当下的、现时的。与此同时，在越来越多的人加入到互联网中，越来越多地使用互联网的过程中，也会不断地从社会、文化的角度对互联网的意义、价值和本质提出新的理解。

互联网的发展早已超越了当初ARPANET的军事和技术目的，几乎从一开始就是为人类的交流服务的。1.3.2互联网的特点

互联网受欢迎的根本原因在于它的使用成本低，使用的信息价值超高。互联网的优点主要体现在以下几个方面：互联网能够不受空间限制来进行信息交换，信息交换具有时域性(更新速度快)，交换信息具有互动性(人与人、人与信息之间可以互动交流)，信息交换的使用成本低(通过信息交换代替实物交换)，信息交换趋向于个性化发展(容易满足每个人的个性化需求)，使用者众多，有价值的信息被资源整合，信息储存量大、高效、快，信息交换能以多种形式存在(视频、图片、文章等)。

但在实际应用中，互联网也存在着以下两个问题：①网络差异性：各种不同的接入技术和接入网络使得互联网呈现出异构性；②设备差异性：不同的终端接入设备，如PAD、PC等，在视频解码的处理性能以及显示设备能够支持的图像分辨率上都有较大的差异。

1.3.3WSN与互联网的关系

在许多应用中，无线传感器网络不以孤立网络的形式存在，而是通过一定的方式与其他外部网络互联，使其他外部网络能够访问和控制无线传感器网络，这样才有实际价值。互联网是目前世界上最大的一种网络，因此实现无线传感器网络与Internet的网络互联具有重大意义。在Internet以及其他一些网络中，TCP/IP已经成为事实上的协议标准。由于无线传感器网络终端数量庞大，IPv4远远不能满足无线传感器网络的地址需求，因此许多研究把重点放在了IPv6上，旨在将无线传感器网络IPv6化。

互联网工程任务组(InternetEngineeringTaskForce，IETF)正在进行针对基于IPv6的低功率无线个域网(IPv6overLow-PowerWirelessPersonalAreaNetwork，6LoWPAN)的相关标准化活动，包括将IPv6协议适配到IEEE802.15.4标准的6LoWPAN、低功耗网络路由协议(RoutingProtocolforLow-PowerandLossyNetwork，RPL)、受限应用层协议(ConstrainedApplicationProtocol，CoAP)等。IP智能物体产业联盟(IPSmartObjectAlliance，IPSO)也开始了嵌入式设备IPv6产品化的推广。无线传感器网络IP化的优点之一是可以采用REST(RepresentationalStateTransfer)风格架构构建物联网应用。REST是表述性状态转换架构，是一种轻量级的Web服务实现，是互联网资源访问协议的一般性设计风格。

REST有3个基本概念：表示(Representation)、状态(State)和转换(Transfer)。表示是指数据和资源都以一定的形式表示；状态是指一次资源请求中需要使用的状态都随请求提供，服务端和客户端都是无状态的；转换是指资源的表示和状态可以在服务端和客户端之间转移。REST提出了一些设计概念和准则：网络上的所有资源都被抽象为资源；每个资源对应唯一的资源标识；通过通用的连接器接口对资源进行操作；对资源的各种操作不会改变资源标识；对资源的所有操作都是无状态的。

REST风格使应用程序可以依赖于一些可共享和重用的并松散耦合的服务。HTTP(HypertextTransferProtocol)就是一个典型的符合REST风格的协议。但是，HTTP协议较为复杂，开销较大，不适用于资源受限的传感器网络。IETFCoRE(ConstrainedRestfulEnvironment)工作组正在制定CoAP协议，将REST风格引入智能传感器网络。

1．受限应用层协议CoAP

2010年，IETFCoRE工作组开始标准化受限应用层协议(ConstrainedApplicationProtocol，CoAP)。

CoAP是一种网络传输协议，专门为资源受限设备(如传感器节点)和网络(如6LoWPAN网络)优化设计。CoAP采用REST风格架构，将网络上的所有对象抽象为资源，每个资源对应一个唯一的统一资源标识符(UniversalResourceIdentifier，URI)，通过URI可以对资源进行无状态操作，包括GET、PUT、POST和DELETE等。

CoAP并不是HTTP的压缩协议，一方面它实现了HTTP的一部分功能子集，并为资源受限环境进行了重新设计；另一方面它提供了内置资源发现、多播支持、异步消息交换等功能。图1-2所示为CoAP协议栈。与HTTP不同，CoAP使用的是面向数据包的传输层协议，如用户数据包协议(UserDatagramProtocol，UDP)，因此可以支持多播。

CoAP分为两层：消息层(Message)负责使用UDP进行异步交互，请求/回复层(Request/Response)负责传输资源操作请求和回复数据。CoAP消息包含的类型有Confirmable(CON)表示需要收到确认的消息；图1-2CoAP协议栈Non-confirmable(NON)，表示不需要收到确认的消息；Acknowledgment(ACK)，表示确认一个Confirmable类型的消息已收到；Reset(RST)，表示一个Confirmable类型的消息已收到，但是不能处理。

通过这种双层结构，CoAP能够在UDP上实现可靠传输机制。进行可靠传输时使用CON消息，如果在规定时间内未收到ACK消息，则重新传输该消息(超时重传)，直到收到ACK/RST消息或者超过最大重试次数。接收方收到CON消息时，返回ACK消息，如果接收方不能处理该消息，则返回RST消息。此外，CoAP还支持异步通信，当CoAP服务端收到不能立即处理的请求时，首先返回ACK消息，处理请求之后再发送返回消息。CoAP主要具有以下特点：满足资源受限的网络需求；无状态HTTP映射，可以通过HTTP代理实现访问CoAP资源，或者在CoAP之上构建HTTP接口；使用UDP实现可靠单播和最大努力多播；异步消息交换；很小的消息头载荷及解析复杂度；支持URI和内容类型(Content-type)；支持代理和缓存；内建资源发现。虽然CoAP还在制定中，但是已经出现了许多开源的CoAP实现，包括C语言实现的Libcoap、Python语言实现的CoAPy、C#语言实现的CoAP.NET等。Contiki和TinyOS两大无线传感器网络操作系统也提供了CoAP支持。

2．互联方式

在无线传感器网络中采用基于IP的REST风格网络架构能够促进无线传感器网络与互联网之间的网络互联。应用CoAP之后，互联网中的服务能够直接通过CoAP或者通过HTTP与CoAP之间的映射转换来访问无线传感器网络资源。因此，基于CoAP的无线传感器网络与互联网的互联方式有直接接入和网关代理两种。

1)直接接入

直接接入方式是指无线传感器网络通过网关接入互联网，网关只对IPv6和6LoWPAN网络层进行转换，而对上层协议不做处理。图1-3所示为直接接入方式原理框图。直接接入时，传感器节点直接与支持CoAP的互联网应用程序进行数据通信,实现无线传感器网络与互联网的完全互联，无线传感器网络中的节点都可以通过IPv6地址直接访问，同时网关只需要对IPv6与6LoWPAN进行转换，减少了不必要的开销。

但是，一方面，由于目前IPv6在互联网中还没有完全普及，这种方式的应用范围受到了一定的限制。在小型自控网络中可以采用这种方式，但是在公用网络中目前还无法实现。另一方面，已有的互联网应用程序(如浏览器)等大多使用HTTP，不能直接访问无线传感器网络资源，需要应用CoAP重新实现。图1-3直接接入方式原理框图2)网关代理

网关代理方式是指无线传感器网络通过网关接入互联网，网关对全部协议进行相应转换，将HTTP或其他协议请求转换为CoAP请求，并将CoAP返回的数据转换为HTTP或其他协议形式传递给互联网应用程序。网关代理时，互联网应用程序不是直接访问无线传感器网络资源，而是通过网关对CoAP和HTTP或其他协议进行了转换。

这种方式的优势在于，由于使用网关作为代理，互联网端可以使用IPv4或IPv6，使得这种方式的应用范围更广。同时，因为可以使用HTTP或其他协议，上层应用程序可以不需要改动。但是，CoAP和HTTP或其他协议的转换增加了网关的复杂度，也会对通信效率产生一定影响。

网关代理的实现方式有以下三种：委托调用、HTTP代理、透明代理。委托调用是指在网关上实现一个HTTP接口，通过传入参数对CoAP资源进行调用。传入参数可以包括CoAP资源URI、访问方法、负载参数等。这种方式不对CoAP和HTTP进行直接转换。

图1-4网关代理方式原理框图网关代理是一种间接接入方式，可以通过软件将传感器节点与因特网连接起来，图1-5所示为基于Libcoap实现的委托调用网关框图。Libcoap是一个用C语言实现的CoAP库，当前版本支持draft-ietf-core-coap-03。Libcoap封装了Message层，并提供了Request/Response层示例。可以通过如下格式访问CoAP资源：“http://网关IP地址/coap-proxy?uri=coap://[节点IPv6地址]:<节点端口>/[资源名称]”。图1-5基于Libcoap实现的委托调用网关框图HTTP代理和透明代理都是指网关对HTTP和CoAP进行映射转换。HTTP代理是采用HTTP正向代理的方式访问CoAP资源，代理服务器进行协议代理，将请求转发至无线传感器网络，底层同样使用Libcoap实现。

透明代理是直接以HTTP访问CoAP资源，例如“http://[节点IPv6地址]/[资源名称]”。网关需要监听网卡，截获所有对无线传感器网络节点的访问请求，将请求映射转换为CoAP格式：“coap://[节点IPv6地址]:<节点端口>/[资源名称]”，发送至无线传感器网络；再将收到的CoAP回复翻译为HTTP格式返回。在整个过程中，网关对上层应用程序是透明的。IETFCoRE工作组正在讨论HTTP-CoAP映射的相关问题。3．应用情况

2013年开始出现了无线传感器网络与互联网技术结合的产品。比如，Nike+FuelBand和Jawbone等传感器式腕带走进人们的生活，用来衡量人们每天走了多少路、睡眠质量如何等；配备了传感器的手表Basis可以测量心率。所有这些设备都与移动应用或Web应用相整合，从而跟踪用户状况并提供建议。

随着物联网的发展，互联网将发挥更加重要的作用——既保持自身的相对独立性，又将成为物联网架构的重要组成部分——网络层的主体技术。1.4WSN的技术特点

随着科技的进步，无线技术与网络技术的结合越来越密切，出现了许多无线网络。无线传感器网络的出现具备自身的技术特点。

1.4.1WSN与现有无线网络的区别

目前，无线网络主要分成两类：一类是具有基础设施的无线蜂窝网，此类网络需要有固定的基站；另一类是没用基础设施的无线网络，又称无线自组织网络(AdHocNetwork)。

前一类网络比较常见，如移动网、通信网和电信网。这类网络需要高大天线和大功率基站的支持，常见的有基础网络，称之为无线宽带网，包括GSM、CDMA、3G、BeyondG、4G、WLAN(WiFi)、WMAN(WiMax)等，都有固定的基站。

而后一类的无线自组织网络又分成无线传感器网络和移动AdHoc网络两类，它们都具备分布式特点，没有专门的固定基站，但能够快速、灵活和便利地组网，基本不用人为干预，就以自组织方式完成组网。这类网络可以借助成熟的无线蜂窝网或有线网，将信息传递到更远的地方。

虽然无线传感器网络和移动AdHoc网络有许多相似之处，但也存在很大的差异，主要集中在以下三个方面：节点规模、节点部署和工作模式。

1．节点规模

移动AdHoc网络一般由几十个到上百个节点组成，节点数量比较少，采用的通信方式是无线的、动态组网的、多跳的移动性对等网络，大多数节点是移动的。

无线传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，可以达到成千上万，而且节点分布更为密集。但是由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障，而环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化。通常情况下，大多数传感器的节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统的无线网络的首要设计目标是提供高质量服务和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用。

2．节点部署

移动AdHoc网络的节点部署采用较成熟的自组织路由协议，早期的无线传感器网络就是借用这种路由协议发展但随着无线传感器网络技术深度发展，二者的节点部署又有不同。这主要体现为：移动AdHoc网络中的节点具有强烈的移动性，网络拓扑结构是动态变化的，给路由协议的设计带来了很大的局限性；而无线传感器网络的节点在部署完成后，大部分的节点不会再移动，网络拓扑是不变的，虽然部分节点会因为拓扑控制等调度机制，或者能量消耗等原因造成节点失效而改变网络拓扑结构，但总的来说，无线传感器网络的网络拓扑是不变的。

3．工作模式

从工作模式比较，移动AdHoc网络的路由协议比无线传感器网络的路由协议要复杂得多，二者的差异主要体现为：移动AdHoc网络中任意两个节点之间都是可以相互通信的，即一对一的通信模式，网络的路由协议是以信息传输为主要目的的；无线传感器网络中的终端节点是将数据传输到上一层路由节点或者汇聚节点，即多对一的通信模式，而终端节点之间是不通信的，路由协议是以数据为中心设计的。

1.4.2WSN与现场总线网络的区别

近几年出现的并被企业广泛采用的现场总线开始与无线传感器网络技术结合起来，在企业提高信息化水平方面发挥着重要作用。现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间，实现双向单行多节点数字通信的系统，也被称为开放化、数字化、多点通信的底层控制网络。

现场总线是通过报告传感器数据从而控制物理环境的，所以从某种程度上来看它与传感器网络非常相似。可以将无线传感器网络看做是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的，无线传感器网络关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传感器网络的一些自适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点，而且现场总线及其协议也不考虑节约能源问题。

1.4.3WSN的特点

1．大规模

为了获取精确的信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面，传感器节点分布在很大的地理区域内，也可以将多个独立无线传感器网络联系在一起，构成更大的无线网络，如在原始大森林中采用传感器网络进行森林防火和环境监测；另一方面，传感器节点部署密集，在面积不大的区域空间内，密集部署了大量的传感器节点。

传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，从而降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。2．自组织

在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就会动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构动态变化，这要求传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。3．动态性

传感器网络的拓扑结构具备动态性，可能会因下列因素而进行适应性改变：

①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。

②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。

③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。

④新节点的加入。

因此，这要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

4．可靠性

传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固、不易损坏、能适应各种恶劣环境条件。

由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。5．应用性

传感器网络是用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量的。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以，传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。6．以数据为中心

目前的互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。在互联网中，网络设备用网络中唯一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，那么首先要知道存放资源的服务器IP地址。因此，可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。

而无线传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。

所以，通常说无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置消息。

1.5WSN的相关技术基础

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，涉及传感器技术、无线电技术、无线通信技术及软件等知识，这些技术构建了WSN网络的技术基础和支撑。

1.5.1传感器技术

传感器(Transducer/Sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在无线传感器网络中，通过传感器来感知识别、采集数据，它是实现无线传感器网络的自动检测和控制的首要环节。国家标准GB7665—87对传感器下的定义是：“传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。中国物联网校企联盟认为，传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让被感知的物体慢慢变得活了起来。

传感器的作用主要是将来自外界物理世界的各种信息按照一定的函数关系转换成电信号，即非电量转化为电量，从而将携带外界的信息输出。传感器的组成原理框图如图1-6所示。

图1-6传感器的组成原理框图敏感元件的作用是能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件，通常是利用材料的某种敏感效应制成的。敏感元件可以按输入的物理量来命名，如热敏、光敏、(电)压敏、(压)力敏、磁敏、气敏、湿敏等元件。敏感元件感知外界的信息可以达到或超过人类感觉器官的功能。敏感元件是传感器的核心元件，随着电子计算机和信息技术的迅速发展，敏感元件的重要性日益提高。

转换元件的作用是将感受到的非电量变换为电量，是传感器的关键元件。在实际情况下，由于一些敏感元件可以直接输出变换后的电信号，很多时候无法严格地区分敏感元件和转换元件。传感器在无线传感器网络中至关重要，负责采集和感知监测区域的各种信息，处于无线传感器网络的感知层，与处理电路、无线通信模块结合在一起构成传感器节点，是获知物体和采集信息的感知设备。二者的关系可以理解如下：

①传感器是无线传感器网络中必备的感知部件。在无线传感器网络工作的监测区域内，部署了各种类型的传感器(传感器节点)，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器感知的信息内容和格式不同。传感器输出的信息具有实时性，并按照一定的采集时间、频率周期性地更新数据。

②无线传感器网络为传感器的信息传递提供网络连接通道，使传感器具备了智能处理能力，并能够接收控制指令实现智能控制。

③在无线传感器网络应用中，传感器是联系人、物和系统的接口，通过与具体应用领域或行业的有机结合，实现无线传感器网络的智能应用。

1.5.2无线电技术

无线电技术是实现无线通信技术的技术基础，无线通信技术是无线传感器网络中的支撑技术之一，主要涉及电磁波、信道、调制和解调。

1．电磁波

电磁波(ElectromagneticWave，又称电磁辐射、电子烟雾)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，可有效地传递能量和动量。

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场(即电流会产生磁场)，变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。

电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。人眼可接收到的电磁辐射，其波长大约在400～780nm之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，且温度越高，放出的电磁波波长就越短。而世界上目前并未发现低于或等于绝对零度的物体。

图1-7为电磁波谱图

因此，人们周边所有的物体时刻都在进行电磁辐射。尽管如此，只有处于可见光频域以内的电磁波，才是可以被人们看到的。电磁波不需要依靠介质传播，各种电磁波在真空中速率恒定，速度为光速。

无线电波的传播方式因波长不同而具有不同的传播特性。无线电波按照波段分类，可以分成以下三种形式：

①地波。地波是沿着地球表面传播的无线电波，适用于中波、长波。

②天波。天波是利用大气层中电离层的反射作用传播的无线电波，适用于短波。

③空间波。空间波是沿着直线传播的无线电波，包括由发射点直接到达接收点的直射波、经地面反射到达接收点的反射波，适用于微波。

如表1-2无线电波按照波段分类

电磁波的波长越长，衰减越少，也越容易绕过障碍物继续传播。电磁波与其他波一样都具有衍射、折射、反射、干涉等波动性。电磁波传递的是能量，能量大小由坡印廷矢量决定，即2．信道

在无线电波传输和接收的过程中，信息是沿着一条路径移动的，这条路径是指通信的通道，是信号传输的媒介，称为信道。一般地，信息是抽象的，但传送信息必须通过具体的媒介。例如二人对话，靠声波通过二人间的空气来传送，因而二人间的空气部分就是信道。邮政通信的信道是指运载工具及其经过的设施。无线电话的信道就是电波传播所通过的空间，有线电话的信道是电缆。每条信道都有特定的信源和信宿。在多路通信，例如载波电话中，一个电话机作为发出信息的信源，另一个是接收信息的信宿，它们之间的设施就是一条信道，这时传输用的电缆可以为许多条信道所共用。一条信道往往被分成信道编码器、信道本身和信道译码器。调制解调器和纠错编译码设备一般被认为是属于信道编码器、信道译码器的，有时把含有调制解调器的信道称为调制信道(模拟信道)；含有纠错编码器、译码器的信道称为编码信道(数据信道)。图1-8为信道的功能模型。图1-8信道的功能模型调制信道(模拟信道)传输的信号是模拟信号，信号电平随时间连续变化，语音信号就是典型的模拟信号。编码信道(数据信道)传输的信号是离散信号，只能传送数字信息。但当通过调制信道传送数字信号时，必须通过调制器与解调器实现数字信号和模拟信号之间的D/A或A/D转换。

3．调制和解调

调制和解调是通过调制器和解调器实现数字信号和模拟信号相互转换的过程。调制将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号)，解调则在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。但调制解调在时域和频域中又有着不同的内涵。时域中，调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输；而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中恢复原始的基带信号。频域中，调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中或者其中的某个频段上的过程，而解调是将频带信号恢复为基带信号的反过程。

调制解调的分类方法很多，在无线传感器网络应用中，主要涉及调制方式和解调方式。

按照调制方式，调制解调可分为以下两类：

(1)模拟调制。如果m(t)是连续信号，经过调制器使某个参数值连续地与m(t)相对应，则称为模拟调制。模拟调制存在传统模拟调制、脉冲调制和复合调制等三种方式。传统模拟调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)等内容；脉冲调制有脉冲幅度调制(PAM)、脉冲相位调制(PWM)、脉冲编码调制(PCM)等内容；复合调制有正交幅度调制(QAM)等

内容。

(2)数字调制。数字调制包含通断键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)等内容。

按照解调方式，调制解调可分为适用于调幅的检波法和适用于大部分调制的同步解调法两类。1.5.3短距离无线通信技术

作为有线通信的补充，无线通信系统自20世纪，特别是21世纪初以来得到了迅猛发展。其中，蜂窝移动通信从模拟无线通信到数字无线通信，从早期的大区制蜂窝系统，支持很少的用户、很低的数据速率，但是有较远的传输距离，到目前的宏蜂窝、微蜂窝，通信半径越来越小，支持用户越来越多，数据传输速率越来越高。从2G、2.5G、3G到目前在国内广泛应用的4G，毫无疑问，通信对于国民经济和国家安全具有越来越重要的意义。

一般来讲，短距离无线通信覆盖距离一般在10～200m，目前已经达到千米数量级；另外，无线发射器的发射功率低，一般小于100mW。

低成本、低功耗和对等通信是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。按数据传输速率，短距离无线通信技术可分为高速短距离无线通信和低速短距离无线通信两类。高速短距离无线通信的最高数据速率高于100Mb/s，通信距离小于10m，典型技术有高速超宽带技术UWB；低速短距离无线通信的最低数据速率低于1Mb/s，通信距离一般小于100m，典型技术有ZigBee、低速超宽带技术UWB、蓝牙等。

1．蓝牙技术

“蓝牙”这个名称来自于10世纪的一位丹麦国王哈拉尔。因为哈拉尔国王喜欢吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色的，所以叫蓝牙(Bluetooth)。蓝牙的工作频率为2.4GHz，有效范围大约在10m半径内，在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、电脑、打印机等能够实现无线互联，并以约1Mb/s的速率相互传递数据，还能方便地接入互联网。

蓝牙技术的应用主要有以下三个方面：

①语音/数据接入，即将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，与广域网连接；

②外围设备互联，即将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上；

③个人局域网(PAN)，主要用于个人网络与信息的共享与交换。

蓝牙技术的特点主要包括以下八个方面：

①蓝牙工作在全球开放的2.4～2.485GHz的ISM频段；

②使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道(HopChannel)，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；

③一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接；

④数据传输速率可达24Mb/s；

⑤低功耗、通信安全性好；

⑥在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求；

⑦组网简单方便，采用“即插即用”的概念；

⑧支持语音传输。2．WiFi技术

WiFi(WirelessFidelity，无线高保真)是一个无线网络通信技术的品牌，由WiFi联盟所持有，是一种能够将个人电脑、手持设备(如 PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术。其目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性。

无线网络是IEEE定义的无线网技术，在1999年IEEE官方定义802.11标准的时候，IEEE官方选择并认定了CSIRO发明的无线网技术是世界上最好的无线网技术，因此CSIRO的无线网技术标准就成为了2010年无线保真的核心技术标准。

IEEE曾请求澳洲政府放弃其无线网络专利，让世界免费使用无线保真技术，但遭到拒绝。无线网络被澳洲媒体誉为澳洲有史以来最重要的科技发明，其发明人JohnO'Sullivan被澳洲媒体称为“WiFi之父”并获得了澳洲的国家最高科学奖和全世界的众多赞誉，其中包括2012年欧洲发明者大奖。WiFi已成为符合IEEE802.11标准的网络产品，工作在2.4GHz频段，带宽比较大，传输速率最大达到11Mb/s，IEEE802.n标准已经将传输速率提高到300Mb/s。

其主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速便捷、可移动性好、网络结构弹性化、组网灵活、组网价格较低等。虽然在数据安全性方面WiFi技术比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右，家庭、办公室或整栋大楼都可使用。3．IrDA红外技术

1800年英国人F·W·赫谢尔使用水银温度计发现了红外辐射，这是最原始的热敏型红外探测仪，从此掀起了红外热潮。1993年国际成立了红外数据协会(IrDA)，是致力于建立红外无线连接的非营利组织。起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s的速率传输数据，很快发展到4Mb/s的速率，后来又达到16Mb/s。

IrDA红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备上广泛使用。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。4．UWB超宽带技术

超宽带技术(UltraWideBand，UWB)是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的无线通信技术，也称为脉冲无线电、时域或无载波通信。UWB通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲(小于1ns)产生极大带宽的信号。脉冲采用脉位调制或二进制移相键控调制。UWB被允许在3.1～10.6GHz的波段内工作，信号相对带宽(即信号带宽与中心频率之比)大于0.2或绝对带宽大于500MHz，并在这一频率范围内，带宽为1MHz的辐射体在三米距离处产生的场强不得超过500 V/m，相当于功率谱密度为75nW/MHz，即41.3dBm/MHz。UWB主要应用在小范围、高分辨率，能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。比如穿墙雷达就是使用UWB技术研究制造的，可用于检查道路、桥梁及其他混凝土和沥青结构建筑中的缺陷，也可用于地下管线、电缆和建筑结构的定位。另外，它在消防、救援、治安防范及医疗、医学图像处理中都大有用武之地。UWB的一个非常有前途的应用是汽车防撞系统，用于自动刹车系统的雷达制造。UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PAN)。

现有的无线通信方式中，只有UWB有可能在10 m范围内，支持高达110Mb/s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。

从信号形式来看，UWB大体可分为两大类：一类是基带窄脉冲形式，窄脉冲序列携带信息，直接通过天线传输，不需要对正弦载波进行调制，采用时域信号处理方式，是超宽带技术早期发展首先采用的方式，在很多领域具有广泛的应用前景；另一类是带通载波调制方式，可以采用不同的无线传输技术，如OFDM、DS-CDMA等，有利于实现高数据速率低功率传输，适用于短距离室内高速率传输的应用，是目前高速多媒体智能家庭/办公室网络应用中的优选技术。

超宽带技术(UWB)的概念是在1960年提出的，到90年代中期才出现产品。

与传统通信系统相比，UWB的主要特点表现在以下八个方面：

(1)系统实现比较容易。

(2)高速的数据传输。

(3)带宽极宽。

(4)极低的功耗。

(5)安全性高。

(6)多路径分辨能力强。