無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(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)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。
越來越多的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和技術(shù)針對于特定的行業(yè)和應(yīng)用。其中，很多應(yīng)用都需要進行大規(guī)模的部署，以達到高覆蓋、高精確感知等目的。如森林火災(zāi)監(jiān)測、戰(zhàn)場上敵情監(jiān)測等，成千上萬枚傳感器節(jié)點部署于環(huán)境中，用于完成監(jiān)測任務(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)點數(shù)量上的區(qū)別外，還會產(chǎn)生節(jié)點管理困難、資源使用不均衡等一系列問題。
1 大規(guī)模應(yīng)用面臨的問題
經(jīng)過傳感器網(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。如在火山活動狀況監(jiān)測的應(yīng)用[1]中，設(shè)計者在火山口布置了16個傳感器節(jié)點，用來監(jiān)測火山溫度、震動等信息；在野生斑馬監(jiān)測系統(tǒng)[2]中，部署了6～10套裝置于斑馬頸部，監(jiān)測斑馬的移動及生活習(xí)性；在大鴨島行為監(jiān)測系統(tǒng)中[3]，部署了32個節(jié)點用于監(jiān)測島上海鳥的習(xí)性等。少量傳感器網(wǎng)絡(luò)在部署、組網(wǎng)、能量等方面的問題都不會太突出，其要解決與處理的關(guān)注點與大規(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)。
很多科研機構(gòu)與公司已經(jīng)開始在大規(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，持續(xù)工作了1年以上，用于監(jiān)測森林環(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，在北京朝陽區(qū)崔各莊鄉(xiāng)部署的一氧化碳監(jiān)測報警系統(tǒng)，每個村莊有大約8 000到12 000個房間，每個房間內(nèi)都部署了一氧化碳監(jiān)測傳感器節(jié)點，這些節(jié)點將室內(nèi)的一氧化碳濃度信息收集到管理節(jié)點進行監(jiān)測和管理?，F(xiàn)有的應(yīng)用實例對我們設(shè)計和研究大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)提供了有力的依據(jù)。通過對大規(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)用面臨的三大問題。
1.1 流量不均衡
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中并不是每個節(jié)點的流量都是一樣的，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)點到匯聚節(jié)點的匯聚過程中，越靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點需要擔負越多的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，使得越靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點數(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)點的能量過早耗盡，影響整個網(wǎng)絡(luò)的連通性和工作壽命。當傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加時，網(wǎng)絡(luò)中的流量會成倍增加，每個數(shù)據(jù)包經(jīng)歷的平均跳數(shù)就會增加，使得中間的節(jié)點不得不耗費大量的能量用于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，降低了能量的使用效率；且由于節(jié)點數(shù)量的增加，路由維護成本也相應(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)點既是信息采集設(shè)備又要起到中間路由作用，幾乎每個節(jié)點都需要完成感知、傳輸、計算的功能。但是傳感器節(jié)點往往是一個嵌入式系統(tǒng)，這就造成與其網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源與存儲資源等受限的事實嚴重不匹配。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)點負載不均衡，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)的存儲或透傳，相對較單一。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中性能差的設(shè)備工作負載重，而性能好的設(shè)備工作負載低，造成了需求與功能失衡的矛盾。
1.3 理論與實際失衡
圖1 無線信道模型
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實際部署前，常需要進行模擬仿真與小規(guī)模測試。其中使用的理論模型與實際模型差距較大。例如無線信道模型，常用的理論模型為圓盤模型，即當接受設(shè)備位于以發(fā)射設(shè)備為中心，通信距離為半徑的一個圓內(nèi)時，可正常通信。然而在實際情況中，由于受到遮擋及天線方向圖等原因，通信范圍不可能是標準的圓形，而是一個不規(guī)則的形狀，如圖1所示[5]。另外無線信道易受到周圍的環(huán)境的干擾，其通信的范圍也是時變的，造成對通信范圍的評估產(chǎn)生困難。目前仍然沒有很好的模型能夠精確地描述信道特性。
2 對于大規(guī)模應(yīng)用問題的思考
影響傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用有多種因素。首先部署的傳感器節(jié)點資源是受限的。在小型化節(jié)點的要求下傳感器節(jié)點的計算資源、存儲資源及能量都非常有限。由于大多數(shù)的應(yīng)用需要傳感器節(jié)點進行野外布置，為了靈活性，電池成為首選能源。電池有限的能量需滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)長期工作的任務(wù)。為了延長電池的工作時間，只能使用低功耗的處理器和通信方式，因此造成傳感器節(jié)點的處理能力低，通信范圍和傳輸速率受限。
無線信號容易受到各種因素的干擾，會造成無線鏈路的質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。由于大多數(shù)應(yīng)用的傳感器節(jié)點部署于不受控的環(huán)境中，環(huán)境的變化會影響無線鏈路的質(zhì)量和節(jié)點間的連通性，進而會改變網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，這些動態(tài)變化的環(huán)境給理論模型的建立和推導(dǎo)提出了挑戰(zhàn)，進而對建立于其上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計等產(chǎn)生影響。
為了應(yīng)對大規(guī)模應(yīng)用中的問題，本文從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、移動傳感器網(wǎng)絡(luò)3個方面來展開針對大規(guī)模應(yīng)用實用化方面的思考。
2.1 應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)降低流量失衡影響
傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳單匯聚節(jié)點的解決思路，即所有的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采用多跳的傳輸手段匯聚到同一個匯聚節(jié)點上。這種架構(gòu)的問題在于可擴展性差、能量利用率低、通信協(xié)議復(fù)雜且容易造成漏斗流量效應(yīng)。為了應(yīng)對這些問題，很多大規(guī)模應(yīng)用中采用了變形的架構(gòu)，如單跳單匯聚節(jié)點、單跳多匯聚節(jié)點、多跳多匯聚節(jié)點等。
*單跳單匯聚節(jié)點模式中所有傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離只有一跳。也就是說所有傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點進行直接通信。這種模式適用于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不是很大，所有節(jié)點都在一跳通信范圍距離之內(nèi)的情況。目前很多應(yīng)用使用的此種架構(gòu)，如智能家居、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等。
*單跳多匯聚節(jié)點模式中有多個匯聚節(jié)點，每個節(jié)點到匯聚節(jié)點之間的距離是一跳，即每個節(jié)點只要與任一個匯聚節(jié)點通信上即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通性。這些匯聚節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)匯聚到同一組數(shù)據(jù)服務(wù)器上進行存儲與處理。本架構(gòu)適用于不同區(qū)域且相距較遠的場景下的數(shù)據(jù)收集。
*在大范圍的網(wǎng)絡(luò)中，無法使用單跳的方式進行部署，此時不得不采用多跳多匯聚節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。匯聚節(jié)點之間一般可通過有線網(wǎng)絡(luò)或其他網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，并將數(shù)據(jù)通過同一個后端服務(wù)器。
針對特定應(yīng)用，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以降低網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的復(fù)雜度，增加系統(tǒng)的可靠性，并解決數(shù)據(jù)流量不均衡和能量使用效率的問題。
2.2 標準化的體系結(jié)構(gòu)降低網(wǎng)絡(luò)管理難度
圖2 經(jīng)典傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
隨著傳感器節(jié)點數(shù)量的增加，原有的體系結(jié)構(gòu)不適于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的管理。傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點硬件資源受到限制，為了更高效地進行數(shù)據(jù)處理，放棄了分層的思想而使用跨層設(shè)計，圖2所示[6]為近10年內(nèi)經(jīng)典的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，多數(shù)協(xié)議采用了跨層的設(shè)計思想；大多數(shù)協(xié)議使用了局部算法；由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作大多集中于分發(fā)和匯聚操作，因此大多數(shù)的協(xié)議沒有為每個節(jié)點進行地址標識[7]。在傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上對節(jié)點進行管理變得較為困難。然而經(jīng)過10年技術(shù)的發(fā)展，傳感器的硬件性能得到了較大的提升，處理能力也大幅提升，針對單個節(jié)點進行查詢控制操作需求的應(yīng)用的出現(xiàn)及傳感器節(jié)點的任務(wù)更加復(fù)雜，改變了原有設(shè)計的觀點和準則，使得應(yīng)該考慮更加層次化、可復(fù)用性高、易于尋址與路由、便于自配置與自管理的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中，IPv6是較好的解決思路之一[8]。通過修改媒體訪問控制(MAC)協(xié)議和增加6LoWPAN適配層可實現(xiàn)將IPv6應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
工業(yè)界針對6LoWPAN的應(yīng)用和發(fā)展，制訂了不同場景下的路由要求，如針對城市環(huán)境和工業(yè)場景等。從國家戰(zhàn)略層面上對6LoWPAN也在進行大力支持，如2010年工業(yè)與信息化部發(fā)布的國家科技重大專項中(03專項)，發(fā)布了基于IPv6的無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研發(fā)及驗證、基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一致性測試方法研究及儀表研發(fā)兩個專項子課題。
2.3 引入和利用移動性優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能
大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，往往沒有固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。如戰(zhàn)場監(jiān)測、邊境監(jiān)測、森林監(jiān)測等，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，但是節(jié)點密度稀疏，網(wǎng)絡(luò)往往是分離的，因此不能保證提供持續(xù)、穩(wěn)定的連接，此時傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及形式將不能滿足需求。在這種情形下，通過匯聚節(jié)點的移動對各個節(jié)點信息的收集是一個較好的選擇。在匯聚節(jié)點自身移動，或者人、動物、直升機等攜帶移動的過程中，當?shù)竭_某一個節(jié)點的通信范圍內(nèi)時，傳感器節(jié)點將其收集到的信息發(fā)送給匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點攜帶信息回后端系統(tǒng)。通過匯聚節(jié)點的移動，使得網(wǎng)絡(luò)不需要全連通，大大減少節(jié)點的部署密度，避免了漏斗流量效應(yīng)的問題。造成的后果是數(shù)據(jù)延時較大，因此適用于對網(wǎng)絡(luò)延時要求不高的應(yīng)用。目前的一個研究熱點移動容遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)屬于這種網(wǎng)絡(luò)形式。
以我們團隊設(shè)計實現(xiàn)的感知城市信息收集系統(tǒng)為例。城市中部署有各種類型的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點周期性地或基于事件觸發(fā)地收集周圍環(huán)境的信息，如車禍等突發(fā)事件、交通流量信息、環(huán)境噪音信息、環(huán)境污染情況等，城市公交車及出租車中安裝有移動匯聚節(jié)點，利用行駛的公交車或出租車將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)收集回服務(wù)器，并將其通過因特網(wǎng)發(fā)布，使用者可通過瀏覽器、智能手機、PDA等設(shè)備查看這些數(shù)據(jù)。由于城市范圍太廣，部署的傳感器節(jié)點無法達到全連通的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，而公交車及出租車又遍及城市，因此，利用了車載移動匯聚節(jié)點成功實現(xiàn)了感知數(shù)據(jù)的收集。
2.4 強化網(wǎng)絡(luò)測試評估能力完善理論模型
傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在復(fù)雜環(huán)境中，環(huán)境中多種因素的干擾和節(jié)點失效等可能造成節(jié)點間無線鏈路與網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化，準確測量與評估網(wǎng)絡(luò)性能非常困難，因此，需要在部署前仿真大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的行為，及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置。
傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研發(fā)過程劃分為3個階段[9]：首先，在系統(tǒng)研發(fā)初期對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行小規(guī)模的模擬仿真，驗證協(xié)議、算法和系統(tǒng)的可行性。然后把協(xié)議、算法等移植到實際的小規(guī)模測試床上，進行小規(guī)模實物測試和評估。最后在實際場景中進行部署，進入(試)運行階段。如圖3所示，其中，橫軸代表節(jié)點規(guī)模，縱軸代表真實度(即實驗環(huán)境與實際部署環(huán)境的差異程度)，3個條塊代表3個研發(fā)階段。
圖3 傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)階段
大規(guī)模應(yīng)用中需要更為精細、與實際更為貼近的理論模型與實驗、仿真手段。要獲取準確的理論模型，需要有配套的測試手段，因此研究傳感器網(wǎng)絡(luò)測試平臺與工具具有重要的現(xiàn)實意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試貫穿在科研、標準化、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、運維、優(yōu)化等階段，是科學(xué)研究的重要數(shù)據(jù)來源，是商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的重要保障。但是傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其在測試需求、測試內(nèi)容、測試方法、測試工具等諸多方面有明顯差異。傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試困難，因為惡劣的運行環(huán)境、受限的資源和復(fù)雜多樣的應(yīng)用使得傳感器網(wǎng)絡(luò)測試極為困難，且與節(jié)點設(shè)計、組網(wǎng)協(xié)議、信息處理和系統(tǒng)應(yīng)用等技術(shù)環(huán)節(jié)有著密切的聯(lián)系。
傳感器網(wǎng)絡(luò)測試的難點主要體現(xiàn)為：在傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量評估行為中，為了獲得網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部狀態(tài)信息，總是需要執(zhí)行額外的計算任務(wù)、傳輸額外的測量所需要的信息。抽象而言，任何一種測量行為均會在一定程度上影響被測對象的自身狀態(tài)，即所謂的海森堡(Heisenberg)測不準現(xiàn)象，這是網(wǎng)絡(luò)測量研究中得共性和基礎(chǔ)的關(guān)鍵問題。具體到傳感器網(wǎng)絡(luò)測試而言，測試行為本身對傳感器網(wǎng)絡(luò)自身運行存在打擾，資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)使得該矛盾尤為突出。降低或避免測試行為對傳感器網(wǎng)絡(luò)自身運行的影響、高精度獲取網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)測試的關(guān)鍵。
針對上述問題我們團隊研制了零打擾傳感器網(wǎng)絡(luò)測試平臺(HINT)，并已成功應(yīng)用于多所高校及研究所等。HINT[10]測試平臺是基于內(nèi)部偵聽測試技術(shù)研發(fā)的一類傳感器網(wǎng)絡(luò)測試平臺，對于傳感器節(jié)點及節(jié)點上的應(yīng)用軟件具有透明性，節(jié)點本身無法察覺測試平臺的存在，節(jié)點的軟件也無需增加任何用于測試目的的輔助代碼；HINT測試平臺通過額外的高精度測試設(shè)備捕獲傳感器節(jié)點內(nèi)部芯片的互連信號來產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)經(jīng)由額外的傳輸網(wǎng)絡(luò)收集并集中分析處理，從而避免對傳感器節(jié)點的資源占用，滿足高精度和零打擾的測試需求。HINT可實現(xiàn)遠程編程、信號分析、分組分析、行為回放、數(shù)據(jù)管理和性能評估等功能。
3 結(jié)束語
隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，越來越多的應(yīng)用趨向于大規(guī)?；Ｅc小規(guī)模應(yīng)用相比，大規(guī)模化的傳感器網(wǎng)絡(luò)向我們提出了更為尖銳的挑戰(zhàn)。本文在現(xiàn)有大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)上，歸納并分析了目前傳感器網(wǎng)絡(luò)流量不均衡、需求與規(guī)模失衡、理論與模型失衡的三大問題，并基于這些特點對當前現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)及移動網(wǎng)絡(luò)方面進行了分析和思考，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試和仿真工具的重要性進行了論述和分析。
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作者簡介
孫利民，中國科學(xué)院信息工程研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國計算機學(xué)會高級會員，計算機學(xué)會傳感器網(wǎng)絡(luò)專業(yè)委員會副主任，計算機學(xué)會互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)委員會委員，中關(guān)村物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長，國家物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)標準工作組成員；主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、車載網(wǎng)和容遲網(wǎng)絡(luò)；主持和參與國家級項目10余項；已發(fā)表論文100余篇，出版學(xué)術(shù)著作3部，獲得或申請國家專利30余項。
劉偉，中國科學(xué)院信息工程研究所在讀博士研究生；主要研究方向為無線自組織網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)。