傳感器網絡的概念

　　傳感器網絡是由一組傳感器以Ad Hoc 方式構成的有線或無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(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絡的三個基本要素；有線或無線網絡是傳感器之間、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絡的基本功能。

　　一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務是傳感器網絡的重要特點。傳感器網絡中的部分或全部節(jié)點可以移動。傳感器網絡的拓撲結構也會隨著節(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，并將其轉換為數字信號。處理部件負責協(xié)調節(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)、嵌入式數據庫系統(tǒng)等。觀察者是傳感器網絡的用戶，是感知信息的接受和應用者。觀察者可以是人，也可以是計算機或其他設備。

　　例如，軍隊指揮官可以是傳感器網絡的觀察者；一個由飛機攜帶的移動計算機也可以是傳感器網絡的觀察者。一個傳感器網絡可以有多個觀察者。一個觀察者也可以是多個傳感器網絡的用戶。觀察者可以主動地查詢或收集傳感器網絡的感知信息，也可以被動地接收傳感器網絡發(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，或對感知對象采取相應的行動。感知對象是觀察者感興趣的監(jiān)測目標，也是傳感器網絡的感知對象，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象、化學現象或其他現象的數字量來表征，如溫度、濕度等。

　　一個傳感器網絡可以感知網絡分布區(qū)域內的多個對象。一個對象也可以被多個傳感器網絡所感知。

　　傳感器網絡的特點與挑戰(zhàn)  

　　傳感器網絡除了具有Ad Hoc網絡的移動性、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�。傳感器網絡的傳感器的通信帶寬窄而且經常變化，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，經常導致通信失敗。由于傳感器網絡更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網絡，離線工作。如何在有限通信能力的條件下高質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。

　�、陔娫茨芰坑邢蕖�傳感器的電源能量極其有限。網絡中的傳感器由于電源能量的原因經常失效或廢棄。電源能量約束是阻礙傳感器網絡應用的嚴重問題。商品化的無線發(fā)送接收器電源遠遠不能滿足傳感器網絡的需要。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。如何在網絡工作過程中節(jié)省能源，最大化網絡的生命周期，是我們面臨的第二個挑戰(zhàn)。

　　③計算能力有限。傳感器網絡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)。

　�、�傳感器數量大、分布范圍廣。傳感器網絡中傳感器節(jié)點密集，數量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。此外，傳感器網絡可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器的數量與用戶數量比通常也非常大。傳感器數量大、分布廣的特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護，傳感器網絡的軟、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)。

　　⑤網絡動態(tài)性強。傳感器網絡具有很強的動態(tài)性。網絡中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，并且經常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。因此，網絡的拓撲結構動態(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。傳感器網絡必須具有可重構和自調整性。這是我們面臨的第五個挑戰(zhàn)。

　　傳感器網絡的性能評價

　　傳感器網絡的性能直接影響其可用性，至關重要。如何評價一個傳感器網絡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絡性能的標準，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。傳感器網絡的能源有效性是指該網絡在有限的能源條件下能夠處理的請求數量。能源有效性是傳感器網絡的重要性能指標。到目前為止，傳感器網絡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。

　�、谏�命周期。傳感器網絡的生命周期是指從網絡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。影響傳感器網絡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。在設計傳感器網絡的軟、硬件時，我們必須充分考慮能源有效性，最大化網絡的生命周期。

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

　�、芨兄�精度。傳感器網絡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、網絡通信協(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系。在傳感器網絡設計中，我們需要權衡三者的得失，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。傳感器網絡可擴展性表現在傳感器數量、網絡覆蓋區(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，傳感器網絡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。

　�、奕蒎e性。傳感器網絡中的傳感器經常會由于周圍環(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，傳感器網絡的軟、硬件必須具有很強的容錯性，以保證系統(tǒng)具有高魯棒性。當網絡的軟、硬件出現故障時，系統(tǒng)能夠通過自動調整或自動重構糾正錯誤，保證網絡正常工作。

　　傳感器網絡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系。我們在設計傳感器網絡時,需要權衡兩者的利弊。上述六個傳感器網絡的性能指標不僅是評價傳感器網絡的標準，也是傳感器網絡設計的優(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。

　　數據管理與處理是傳感器網絡的核心技術

　　基于傳感器網絡的任何應用系統(tǒng)都離不開感知數據的管理和處理技術。不言而喻，感知網數據管理和處理技術是確定感知網可用性和有效性的關鍵技術，關系到感知網的成敗。對于觀察者來說，傳感器網絡的核心是感知數據，而不是網絡硬件。

　　觀察者感興趣的是傳感器產生的數據，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的?”，他們經常會提出如下的查詢:“網絡覆蓋區(qū)域中哪些地區(qū)出現毒氣?”。在傳感器網絡中，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，傳感器網絡是一種以數據為中心的網絡。以數據為中心的傳感器網絡的基本思想是，把傳感器視為感知數據流或感知數據源，把傳感器網絡視為感知數據空間或感知數據庫，把數據管理和處理作為網絡的應用目標。

　　傳感器網絡以數據為中心的特點使得其設計方法不同于其他計算機網絡(包括 Internet)。傳感器網絡的設計必須以感知數據管理和處理為中心，把數據庫技術和網絡技術緊密結合，從邏輯概念和軟、硬件技術兩個方面實現一個高性能的以數據為中心的網絡系統(tǒng)，為用戶或觀察者提供一個有效的感知數據空間或感知數據庫管理和處理系統(tǒng)，使用戶如同使用通常的數據庫管理系統(tǒng)和數據處理系統(tǒng)一樣自如地在傳感器網絡上進行感知數據的管理和處理。感知數據管理與處理技術是實現以數據為中心的傳感器網絡的核心技術。

　　感知數據管理與處理技術包括感知網數據的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的理論和技術。傳感器網絡的各種實現技術必須與這些技術密切結合，融為一體，而不是像目前其他網絡設計那樣分而治之。只有這樣，我們才能夠設計實現高效率的以數據為中心的傳感器網絡系統(tǒng)。

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

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