傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Ad Hoc 方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。

　　從上述定義可以看到，傳感器、感知對象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素；有線或無線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器與觀察者之間的通信方式，用于在傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。

　　一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點可以移動。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。

　　節(jié)點間以 Ad Hoc 方式進行通信，每個節(jié)點都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。接下來詳細討論傳感器、感知對象和觀察者。傳感器由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件這幾部分構(gòu)成,

　　電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。處理部件負責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對感知部件獲取的信息進行必要的處理、保存,控制感知部件和電源的工作模式等。

　　通信部件負責(zé)與其他傳感器或觀察者的通信.軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是感知信息的接受和應(yīng)用者。觀察者可以是人，也可以是計算機或其他設(shè)備。

　　例如，軍隊指揮官可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀察者；一個由飛機攜帶的移動計算機也可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀察者。一個傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有多個觀察者。一個觀察者也可以是多個傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶。觀察者可以主動地查詢或收集傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知信息，也可以被動地接收傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的信息。

　　觀察者將對感知信息進行觀察、分析、挖掘、制定決策，或?qū)Ω兄獙ο蟛扇∠鄳?yīng)的行動。感知對象是觀察者感興趣的監(jiān)測目標，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知對象，如坦克、軍隊、動物、有害氣體等。感知對象一般通過表示物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量來表征，如溫度、濕度等。

　　一個傳感器網(wǎng)絡(luò)可以感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的多個對象。一個對象也可以被多個傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點與挑戰(zhàn)  

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動性、斷接性、電源能力局限等共同特征以外，還具有很多其他鮮明的特點。

　　這些特點向我們提出了一系列挑戰(zhàn)性問題：

　�、偻ㄐ拍芰τ邢�。傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工作。如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，是我們面臨的挑戰(zhàn)之一。

　�、陔娫茨芰坑邢�。傳感器的電源能量極其有限。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。電源能量約束是阻礙傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴重問題。商品化的無線發(fā)送接收器電源遠遠不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要。傳感器傳輸信息要比執(zhí)行計算更消耗電能。傳感器傳輸1位信息所需要的電能足以執(zhí)行3 000條計算指令。如何在網(wǎng)絡(luò)工作過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是我們面臨的第二個挑戰(zhàn)。

　　③計算能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。但是，由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，傳感器的計算能力十分有限。如何使用大量具有有限計算能力的傳感器進行協(xié)作分布式信息處理，是我們面臨的第三個挑戰(zhàn)。

　�、�傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器的數(shù)量與用戶數(shù)量比通常也非常大。傳感器數(shù)量大、分布廣的特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高魯棒性和容錯性。這是我們面臨的第四個挑戰(zhàn)。

　�、菥W(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的動態(tài)性。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，傳感器、感知對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有可重構(gòu)和自調(diào)整性。這是我們面臨的第五個挑戰(zhàn)。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評價

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能直接影響其可用性，至關(guān)重要。如何評價一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能是一個需要深入研究的問題。下面討論幾個評價傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的標準，這些標準還沒有達到實用的程度，需要進一步地模型化和量化。

　�、倌茉从行�性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源有效性是指該網(wǎng)絡(luò)在有限的能源條件下能夠處理的請求數(shù)量。能源有效性是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標。到目前為止，傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源有效性還沒有被模型化和量化，還不具有有被普遍接受的標準，需要進行深入研究。

　　②生命周期。傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是指從網(wǎng)絡(luò)啟動到不能為觀察者提供需要的信息為止所持續(xù)的時間。影響傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的因素很多，既包括硬件因素也包括軟件因素，需要進行深入研究。在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件時，我們必須充分考慮能源有效性，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

　�、蹠r間延遲。傳感器網(wǎng)絡(luò)的延遲時間是指當(dāng)觀察者發(fā)出請求到其接收到回答信息所需要的時間。影響傳感器網(wǎng)絡(luò)時間延遲的因素也有很多。時間延遲與應(yīng)用密切相關(guān)，直接影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性和應(yīng)用范圍。目前的相關(guān)研究還很少。需要進行深入研究。

　�、芨兄�精度。傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知精度是指觀察者接收到的感知信息的精度。傳感器的精度、信息處理方法、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等都對感知精度有所影響。感知精度、時間延遲和能量消耗之間具有密切的關(guān)系。在傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，我們需要權(quán)衡三者的得失，使系統(tǒng)能在最小能源開銷條件下最大限度地提高感知精度、降低時間延遲。

　　⑤可擴展性。傳感器網(wǎng)絡(luò)可擴展性表現(xiàn)在傳感器數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、生命周期、時間延遲、感知精度等方面的可擴展極限。給定可擴展性級別，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須提供支持該可擴展性級別的機制和方法。目前不存在可擴展性的精確描述和標準，還需要進一步的深入研究。

　　⑥容錯性。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器經(jīng)常會由于周圍環(huán)境或電源耗盡等原因而失效。由于環(huán)境或其他原因，物理地維護或替換失效傳感器常常是十分困難或不可能的。這樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有很強的容錯性，以保證系統(tǒng)具有高魯棒性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠通過自動調(diào)整或自動重構(gòu)糾正錯誤，保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯性需要進一步地模型化和定量化。容錯性和能源有效性之間存在著密切關(guān)系。我們在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時,需要權(quán)衡兩者的利弊。上述六個傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能指標不僅是評價傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的優(yōu)化目標。為了達到這些目標的優(yōu)化，我們有大量的研究工作需要完成。

　　數(shù)據(jù)管理與處理是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)

　　基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的任何應(yīng)用系統(tǒng)都離不開感知數(shù)據(jù)的管理和處理技術(shù)。不言而喻，感知網(wǎng)數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)是確定感知網(wǎng)可用性和有效性的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到感知網(wǎng)的成敗。對于觀察者來說，傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是感知數(shù)據(jù)，而不是網(wǎng)絡(luò)硬件。

　　觀察者感興趣的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不是傳感器本身。觀察者不會提出這樣的查詢:“從A節(jié)點到B節(jié)點的連接是如何實現(xiàn)的?”，他們經(jīng)常會提出如下的查詢:“網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中哪些地區(qū)出現(xiàn)毒氣?”。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點不需要地址之類的標識。觀察者不會提出查詢:“地址為27的傳感器的溫度是多少?”，他們感興趣的查詢是“某個地理位置的溫度是多少?”。

　　綜上所述，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想是，把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源，把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的特點使得其設(shè)計方法不同于其他計算機網(wǎng)絡(luò)(包括 Internet)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心，把數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，從邏輯概念和軟、硬件技術(shù)兩個方面實現(xiàn)一個高性能的以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為用戶或觀察者提供一個有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫管理和處理系統(tǒng)，使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一樣自如地在傳感器網(wǎng)絡(luò)上進行感知數(shù)據(jù)的管理和處理。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。

　　感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括感知網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種實現(xiàn)技術(shù)必須與這些技術(shù)密切結(jié)合，融為一體，而不是像目前其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)計那樣分而治之。只有這樣，我們才能夠設(shè)計實現(xiàn)高效率的以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　顯然，感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)的研究是一項實現(xiàn)高效率傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要和關(guān)鍵的任務(wù)。遺憾的是，到目前為止,感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)的研究還不多，還有大量的問題需要解決。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)的研究是數(shù)據(jù)庫界面臨的新任務(wù)和新挑戰(zhàn)，也為數(shù)據(jù)庫界提供了新機遇。

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