摘 要：無線傳感器網絡是信息技術研究領域的一個重要方向，具有廣闊的應用前景。給出了無線傳感器網絡信息獲取的體系結構，重點論述了信息獲取的關鍵問題，分析了其不足以及發展方向。特別總結出網絡通信的重要問題，并進行了詳細的介紹。 　　關鍵詞：無線傳感器網絡；傳感器網絡信息處理；通信體系結構 　　0 引 言 　　由于低能耗集成電路技術、無線通信技術以及MEMS（microelectromechanical systems）的發展，無線傳感器網絡技術成為可能，并且，成為信息技術學科一個新的重要研究方向。美國《商業周刊》在其“未來技術專版”中發表文章指出，傳感器網絡是全球未來的四大高技術產業之一，并將掀起新的產業浪潮。 　　無線傳感器網絡由于體積小、成本低以及強大的信息獲取功能使其在環境數據采集、安全監控以及目標跟蹤等方面有廣闊的應用空間。 　　無線傳感器網絡應用系統的根本是獲取物理世界有價值的信息，包括數據的收集、數據管理、數據通信以及數據的處理，并最終得到用戶所需的信息。 　　1 信息獲取關鍵問題 　　無線傳感器網絡必須解決一系列關鍵問題才能充分發揮其信息獲取能力，包括數據通信、感知數據處理以及系統監控等。 　　1．1 信息獲取體系結構 　　信息獲取體系結構分為物理層、功能層及應用層，每個層次又分為不同的階段 　　（1）數據獲取 　　無線傳感器網絡應用系統不像傳統的信息應用系統，它所需的數據需要從物理世界中獲取，而且，這些獲取的數據是海量的流數據，數據之間存在的時空關聯性，并且，伴有噪聲信號、偏離測量以及數據丟失和數據錯誤等。這就需要系統具備一定的功能來處理上述問題。 　　在整個體系結構中，最初始的階段也是最重要的階段就是數據獲取階段，其主要任務就是來決定什么時間、什么地點、以什么頻率來進行數據采樣。 　　（2）數據通信 　　數據通信階段就是要采用簡單、高效的數據路由算法和相應的協議來將獲取的物理環境的數據及時、準確地傳送給用戶。 　　（3）數據處理 　　數據處理就是指如何簡單、有效地表達用戶的信息需求；如何根據這些需求來處理相關的數據獲得用戶所需的信息等。 　　1．2 信息獲取計算模式 　　計算模式基本上有2種：集中式和分布式。集中式是指將各個節點所獲取的數據傳送到一個集中的位置進行相應的處理；分布式包含分布式對象系統、分布式數據庫及移動代理等。 　　1．2．1 分布式對象系統 　　分布式對象系統就是將無線傳感器網絡中的節點看作大規模的分布式對象。 　　SINA是一種較有影響的分布式對象信息處理方法。每個節點運行SINA執行環境（SEE），作為節點的抽象對象。它是SINA體系結構的核心。SEE提供一系列配置和通信原語來加強節點對象之間的可擴展性、魯棒性以及電源有效的組織和交互。系統采用統一語言來查詢和調度整個無線傳感器網絡系統，即傳感器查詢和調度語言。它是一種陳述性的過程腳本語言，具有靈活和緊湊的特點。這種方法雖然通過sampling operation原語集成了數據獲取階段，但是，沒有充分利用所獲取數據的時空關聯性，利用統計的方法來提高數據獲取的效率。 　　1．2．2分布式數據庫 　　由于節點的分布性，可以采用分布式數據庫系統的數據存儲以及查詢技術來進行無線傳感器網絡數據的存儲和信息處理。 　　基本思想是：用戶提交一個用戶查詢，查詢優化器將這種查詢需求分解成適合無線傳感器網絡中各個節點進行in network處理的有效的查詢計劃，從而節省電源，提高系統的生命周期。另外，這種查詢的提交是以一種陳述式查詢語言的形式提交的，從而可以實現用戶需求與實際物理網絡系統的透明性。這里的核心是設計查詢優化器。 　　目前，比較有影響力的研究成果有Cornell大學的COUGAR項目，另外，還有Intel公司的TinyDB項目。 　　COUGAR項目沒有集成數據獲取階段；而TinyDB項目雖然集成了數據獲取階段，但是，在先期的工作中沒有充分利用流數據的時空關聯性，利用統計方法提高數據獲取的效率，目前，Intel的研究人員正在致力于這方面的工作。 　　1．2．3 移動代理 　　在傳統的分布式無線傳感器網絡中，數據是由單個的節點搜集，然后，將其傳送給上一級的處理單元來進行處理。這樣，在網絡中就會有大量的數據在移動，從而消耗了大量的電源。而移動代理的思想將數據駐留在獲取它的節點上，而讓代表用戶信息需求的一段代碼（代理、計算引擎）在網絡中傳播，來處理相應的數據，并將最終的信息返回給用戶。這樣就可以減少網絡的帶寬使用。 　　該方法的不足之處在于：由于節點的存儲能力有限，每個節點在沒有了解用戶的信息需求之前必須保留一段時間的歷史數據，這樣將消耗大量的系統資源。 　　總之，無線傳感器網絡的信息獲取計算模式的發展趨勢是以分布式計算為主，利用系統中的局部信息來完成數據路由、聚合等工作，從而提高系統的可擴展性。在分布式計算的基礎上，應該集成數據獲取階段，并且，充分利用流數據的時空關聯性。 　　1．3 網絡通信的關鍵問題 　　無線傳感器網絡一個重要的方面就是電源和通信帶寬是非常有限的資源。網絡通信體系結構設計必須充分考慮這個問題。 　　目前，已經有大量的研究成果分別從不同的角度提出不同的無線傳感器網絡通信協議。主要有如下幾類：扁平路由（flat networks routing）、層次路由（hierarchical networks routing）以及基于位置的路由（location-based routing）。扁平路由是指網絡中各個節點具有相同的作用；而層次路由是指網絡中的節點承擔不同的作用，呈現出一定的層次結構。 　　通過對路由協議的研究，總結出網絡通信的一些重要問題。 　　1．3．1 面向應用和以數據為中心 　　無線傳感器網絡中的數據通信是以數據為中心的（data centric），而且，是面向應用的（application specific）。 　　由于無線傳感器網絡系統具有大量的節點，很難給這些節點分配全局的標識符，一個可行的方案就是利用節點產生的數據來標識節點。這就是以數據為中心的思想。所謂以數據為中心是相對于以地址為中心的方法來說的，它更多地關心通信的數據內容，而不是數據的獲取來源；關心數據融合過濾后得到的信息，而不是高冗余的原始數據。 　　為了減少在網絡中的數據傳輸量、延長系統的生命周期，必須在數據通信的過程中進行面向應用的數據處理，即in network processing。這種數據處理必須根據系統用戶的應用需求才能切實有效地進行，因為必須根據用戶的信息需求才能決定哪些原始數據有用，哪些沒用。也就是說，無線傳感器網絡的通信方式是面向應用的，必須在數據通信的同時考慮用戶的需求，在數據路由的同時進行面向應用的數據處理，這與傳統的通信方式是不同的。 　　這種in network processing的思想有2種實現方案：一種是在原始數據的傳輸過程中進行面向應用的數據聚合，這就是數據聚合的思想；二是將代表用戶需求的代碼傳播到網絡中，在各個節點處理數據，然后，再將用戶最終需要的信息返回給用戶，這就是移動agent的思想。 　　1．3．2 局部計算 　　由于無線傳感器網絡節點數量的大量性以及電源能力、計算能力和存儲能力的有限性，不可能在通信機制中存在像Internet那樣的全局路由信息及全局的預發路由。這樣，在無線傳感器網絡中，只能采用局部計算模式（localization schemes）來進行數據的通信，即通信機制不需要知道整個網絡的結構，只根據當前節點周圍局部節點的屬性來決定數據的路由路徑。由于局部計算只關心某一范圍內節點的信息，而不關心整個網絡的信息，所以，系統中節點的加入或離開不會對系統的性能造成很大的影響，從而提高系統的可擴展性。 　　1．3．3 節點定位 　　在基于位置的路由算法中，需要知道節點的物理位置，這就需要節點定位技術。一般來說，節點的定位主要有2種方法：一種是絕對定位；另外一種是相對定位。 　　絕對定位，就是通過某種手段來確定節點的絕對物理位置，如使用GPS定位系統來確定每個節點的物理位置。 　　相對定位，就是通過節點之間的相對距離來確定節點的物理位置。在無線傳感器網絡系統中，一般來說，基礎網絡通信設施（基站或者聚簇的頭節點）中節點的位置是已知的，將系統中的所有其他節點與其相鄰的基礎設施節點比較來確定節點的絕對位置。 　　有了局部計算機制以及節點的物理位置，就可以利用節點的物理位置來進行數據路由，即geographic routing。geographic routing是非常適合無線傳感器網絡的路由方法。因為這種方法中，節點只包含其地理上相鄰節點的位置，這樣，就具備很好的可擴展性。 　　1．3．4 時間同步（時鐘同步） 　　時間同步（time synchronization）是任何分布式系統的重要基礎設施。在無線傳感器網絡系統中，數據集成、TDMA介質訪問、調度等，都需要時間同步的支持。 　　一般來講，時間同步的精度要求越高，所消耗的資源（計算、通信以及電源等）就越多；而無線傳感器網絡受到嚴重的資源約束，因此，不可能提供很高精度的時間同步功能。實際上，現實中的無線傳感器網絡應用系統對時間同步功能的要求并沒有那么高，而且，可以根據應用系統的不同需求來提供不同精度要求的時間同步功能。 　　上述的各種路由算法沒有嚴格的好壞標準。每種算法在一定的條件下都是有效的。實際應用中，應該根據不同的應用需求采用不同的路由方法。 　　網絡通信協議未來的發展方向有如下幾個方面： 　　（1）充分利用感知數據的時空關聯性，提高數據獲取的效率，減少網絡通信量； 　　（2）在路由協議的各個層次引入統計方法，特別是數據鏈路層，以減少網絡數據通信量； 　　（3）考慮QoS問題，包括安全性、延時性等； 　　（4）節點移動情況下的路由算法等。 1．4 感知數據存儲與處理 　　系統從物理環境中獲得數據后，可以對這些流數據進行實時處理、數據聚合。但是，另外一些數據需要保存起來，以便以后進行分析、預測趨勢以及數據挖掘。這就需要相應的數據庫技術來存儲這些海量的流數據。 　　有了這些數據，就需要有相應的數據查詢技術來獲得用戶想要的信息。主要的研究成果就是陳述式查詢。 　　未來的研究方向： 　　（1）感知數據的可視化表示：以便用戶能夠更好地理解數據； 　　（2）流數據挖掘技術：從海量的流數據中獲取用戶所需的信息甚至知識，也要考慮流數據的實時挖掘以及事后挖掘，這是一個非常有挑戰性的工作。 　　1．5 無線傳感器網絡系統監控 　　無線傳感器網絡系統監控協議有2個方面的特殊要求：第一，對電源消耗有更高的要求，因為監控協議要在系統的整個生命周期中都在運行；第二，比其他協議具有更好的魯棒性，因為當系統出現大規模故障，監控協議是最后的救命保障。 　　目前，已經有一些研究成果來解決這個問題，但是，它們大多集中在節點剩余電源的監控方面。文獻給出一個較完整的系統監控體系結構，但它僅僅對剩余電源的監控給出了具體的實現算法，而對于其他方面僅僅停留在概念層面。 　無線傳感器網絡的系統監控應該具有如下功能：剩余電源、節點狀態、節點鏈路以及異常情況監控。在具體實現方案上，應該和系統的信息獲取緊密結合，在數據通信的同時搭載監控信息。另外，應該充分利用感知數據的時空關聯性，利用統計的方法來進行系統的剩余電源監控、節點狀態監控、鏈路監控以及系統異常監控。 　　2 結束語 　　無線傳感器網絡是一個新興的研究領域，使物理世界和認知世界緊密集成，將信息的獲取和處理帶入一個精準的時代。它的研究得到了軍方、學術界以及企業界的廣泛認可。目前，無線傳感器網絡仍然處于研究的初始階段，尤其是在國內這方面的研究則剛剛起步，還有很多需要解決的問題。可以確信，隨著本文提出的關鍵問題的解決，無線傳感器網絡會得到前所未有的發展。 轉自：傳感器技術