大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面臨的問(wèn)題

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。

　　越來(lái)越多的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和技術(shù)針對(duì)于特定的行業(yè)和應(yīng)用。其中，很多應(yīng)用都需要進(jìn)行大規(guī)模的部署，以達(dá)到高覆蓋、高精確感知等目的。如森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)上敵情監(jiān)測(cè)等，成千上萬(wàn)枚傳感器節(jié)點(diǎn)部署于環(huán)境中，用于完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。然而，與小規(guī)模應(yīng)用相比，大規(guī)模應(yīng)用中除了節(jié)點(diǎn)數(shù)量上的區(qū)別外，還會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)管理困難、資源使用不均衡等一系列問(wèn)題。

　　1 大規(guī)模應(yīng)用面臨的問(wèn)題

　　經(jīng)過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)的發(fā)展，雖然其在各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，然而目前大多數(shù)的應(yīng)用仍然局限于小規(guī)模程度。如在火山活動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[1]中，設(shè)計(jì)者在火山口布置了16個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)火山溫度、震動(dòng)等信息;在野生斑馬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]中，部署了6～10套裝置于斑馬頸部，監(jiān)測(cè)斑馬的移動(dòng)及生活習(xí)性;在大鴨島行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[3]，部署了32個(gè)節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)島上海鳥(niǎo)的習(xí)性等。少量傳感器網(wǎng)絡(luò)在部署、組網(wǎng)、能量等方面的問(wèn)題都不會(huì)太突出，其要解決與處理的關(guān)注點(diǎn)與大規(guī)模應(yīng)用不同。因此，要探究大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的問(wèn)題和解決思路，須依靠大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)。

　　很多科研機(jī)構(gòu)與公司已經(jīng)開(kāi)始在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面做了嘗試。如香港科技大學(xué)等單位在浙江省天目山建立的綠野千傳系統(tǒng)[4]，部署了上千枚節(jié)點(diǎn)，持續(xù)工作了1年以上，用于監(jiān)測(cè)森林環(huán)境的溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等。為了減少冬季一氧化碳中毒事故的發(fā)生，在北京朝陽(yáng)區(qū)崔各莊鄉(xiāng)部署的一氧化碳監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，每個(gè)村莊有大約8 000到12 000個(gè)房間，每個(gè)房間內(nèi)都部署了一氧化碳監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將室內(nèi)的一氧化碳濃度信息收集到管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理?，F(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)例對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)和研究大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)提供了有力的依據(jù)。通過(guò)對(duì)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究，歸納出目前大規(guī)模應(yīng)用面臨的三大問(wèn)題。

　　1.1 流量不均衡

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中并不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量都是一樣的，這主要由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)匯聚服務(wù)為主要業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)從感知節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的匯聚過(guò)程中，越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)需要擔(dān)負(fù)越多的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，使得越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量越大，產(chǎn)生漏斗流量效應(yīng)。流量的不均衡容易使流量大的節(jié)點(diǎn)的能量過(guò)早耗盡，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性和工作壽命。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的流量會(huì)成倍增加，每個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)歷的平均跳數(shù)就會(huì)增加，使得中間的節(jié)點(diǎn)不得不耗費(fèi)大量的能量用于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，降低了能量的使用效率;且由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，路由維護(hù)成本也相應(yīng)的增加。

　　1.2 需求與功能失衡

　　在互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)處理設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備往往有明顯界限，且由于使用環(huán)境多為非受限，其性能與功能容易做到匹配。相比而言在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)既是信息采集設(shè)備又要起到中間路由作用，幾乎每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要完成感知、傳輸、計(jì)算的功能。但是傳感器節(jié)點(diǎn)往往是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，這就造成與其網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源與存儲(chǔ)資源等受限的事實(shí)嚴(yán)重不匹配。又由于傳感器網(wǎng)絡(luò)漏斗流量特性，使得網(wǎng)絡(luò)流量和節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡，這更加劇了這種失衡。相比而言，后端系統(tǒng)由于不受能量的束縛，其性能可以不受限制，不會(huì)成為系統(tǒng)的“瓶頸”，而其完成的功能主要為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或透?jìng)?，相?duì)較單一。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中性能差的設(shè)備工作負(fù)載重，而性能好的設(shè)備工作負(fù)載低，造成了需求與功能失衡的矛盾。

　　1.3 理論與實(shí)際失衡

　　圖1 無(wú)線信道模型

　　在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)際部署前，常需要進(jìn)行模擬仿真與小規(guī)模測(cè)試。其中使用的理論模型與實(shí)際模型差距較大。例如無(wú)線信道模型，常用的理論模型為圓盤(pán)模型，即當(dāng)接受設(shè)備位于以發(fā)射設(shè)備為中心，通信距離為半徑的一個(gè)圓內(nèi)時(shí)，可正常通信。然而在實(shí)際情況中，由于受到遮擋及天線方向圖等原因，通信范圍不可能是標(biāo)準(zhǔn)的圓形，而是一個(gè)不規(guī)則的形狀，如圖1所示[5]。另外無(wú)線信道易受到周圍的環(huán)境的干擾，其通信的范圍也是時(shí)變的，造成對(duì)通信范圍的評(píng)估產(chǎn)生困難。目前仍然沒(méi)有很好的模型能夠精確地描述信道特性。