1、傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與問題,李建中 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué),傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念,傳感器接近感知對(duì)象 傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流 傳感器無計(jì)算能力 無傳感器間通信能力,傳統(tǒng)的感知方法,有線/無線連接,現(xiàn)代感知方法,Sensing Area,傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對(duì)象區(qū)域 每個(gè)傳感器完成其臨近感知對(duì)象的觀測 多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務(wù) 使用多跳路由算法向用戶報(bào)告觀測結(jié)果,Sink,Internet 或 通信衛(wèi)星,Sensor network,現(xiàn)代微型傳感器 感知能力計(jì)算能力通信能力 體積小 能耗小 由六部分組成,Nested Software,Power Unit,Sensing Unit,P

2、rocessing Unit,Communication Unit,Storage,現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳感器技術(shù)嵌入式計(jì)算技術(shù)分布式信息處理技術(shù)無線通信技術(shù) 傳感器節(jié)點(diǎn)密集 傳感器節(jié)點(diǎn)靜止或移動(dòng) 具有通信路徑自組織能力(Ad Hoc) 感知信息通過多跳的方式傳輸給用戶,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)測信息, 報(bào)告給 用戶.,傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義,軍事應(yīng)用: 作戰(zhàn)環(huán)境偵查與監(jiān)控 軍事偵查、情報(bào)獲取 戰(zhàn)場監(jiān)測與指揮 民事應(yīng)用: 環(huán)境監(jiān)測 交通管理 災(zāi)難預(yù)防(如森林火災(zāi)監(jiān)測) 危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測

3、有滅絕危險(xiǎn)或珍貴動(dòng)物的跟蹤監(jiān)護(hù) 民用和工程基礎(chǔ)設(shè)施的安全性監(jiān)測 等等，等等,傳感器網(wǎng)絡(luò)是擴(kuò)大人類感知能力的一場革命 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為增加 “耳、鼻、眼、舌” 等感知能力,傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,大地監(jiān)測,環(huán)境監(jiān)測,Contaminant Flow Monitoring,Sensor attached to every vehicle. Capable of detecting their location, vehicle sizes, speeds and ; road conditions Alternate routes, estimate trip times,Traffic Control

4、,Biological Systems,作戰(zhàn)環(huán)境偵查,戰(zhàn)場監(jiān)測與指揮,傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與挑戰(zhàn),通信能力有限 節(jié)點(diǎn)帶寬窄，而且經(jīng)常變化 節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米， 而且經(jīng)常變化,挑戰(zhàn)之一 如何在如此有限通信能力的條件下, 高質(zhì)量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢、分析、挖掘與傳輸？ 在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復(fù)雜性的機(jī)理是我們面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)問題！,多源、多跳是主要通信方式 多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向一個(gè)目標(biāo)傳送信息 一次多源信息傳輸需要多條由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的路徑,挑戰(zhàn)之二 如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？ 在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，建立選擇優(yōu)化或近似優(yōu)化通信路徑的理論是我們面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)問題！

5、,節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、斷接頻繁 在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁 節(jié)點(diǎn)間通信的斷接頻繁，導(dǎo)致通信失敗. 經(jīng)常受到高山、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, 因此傳感器可能會(huì)長時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò), 離線工作,挑戰(zhàn)之三 通信路徑重構(gòu)成為突出問題？路由算法必須具有自適應(yīng)性？ 如何建立網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)連通性的數(shù)據(jù)理論，為通信路徑重構(gòu)和自適應(yīng)路由算法設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)是我們面臨的第三個(gè)挑戰(zhàn)問題？,電源能量有限 傳感器的電源能量極其有限 由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄 電源能量約束是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的障礙 現(xiàn)有電源部件不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要 傳感器傳輸信息比執(zhí)行計(jì)算更消耗電能 傳感器傳輸1位信息需要的電能足以執(zhí)行

6、3000條計(jì)算指令,挑戰(zhàn)之四 如何傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作過程中節(jié)省能，實(shí)現(xiàn)能源均衡，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期？ 建立能源復(fù)雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個(gè)挑戰(zhàn)性問題！,計(jì)算能力有限 傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲(chǔ)器，具有計(jì)算能力 但是，處理器性能、存儲(chǔ)器容量和能源都很有限，導(dǎo)致傳感器的計(jì)算能力十分有限,挑戰(zhàn)之五 如何使用大量具有有限計(jì)算能力的傳感器設(shè)計(jì)能源有效的高性能分布式算法? 設(shè)計(jì)同時(shí)最小化能源、時(shí)間、空間和通信復(fù)雜性的分布式算法是我們面臨的第五個(gè)挑戰(zhàn)性問題！,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(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬，甚至更多 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很大區(qū)

7、域，也可以分布在險(xiǎn)惡環(huán)境下 傳感器數(shù)量大、分布廣的特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù),挑戰(zhàn)之六 如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性是我們面臨的第六個(gè)挑戰(zhàn)性問題！,大規(guī)模分布式觸發(fā)器 很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行控制（如溫度控制） 傳感器需要配備回控裝置和控制軟件 我們稱回控裝置和控制軟件為觸發(fā)器,挑戰(zhàn)之七 如何管理成千上萬分布式觸發(fā)器是我們面臨的第七個(gè)挑戰(zhàn)性問題？,感知數(shù)據(jù)流無限 傳感器網(wǎng)絡(luò)每個(gè)傳感器都產(chǎn)生無限的流式數(shù)據(jù)，并具有實(shí)時(shí)性 每個(gè)傳感器僅具有有限的存儲(chǔ)器和計(jì)算資源，難以處理巨大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流,挑戰(zhàn)之八 如何設(shè)計(jì)高效率、能源有效、實(shí)時(shí)的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分

8、布式算法？,以數(shù)據(jù)為中心 傳感器網(wǎng)絡(luò)不是通常的網(wǎng)絡(luò) 用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件 用戶很少詢問“A節(jié)點(diǎn)到B節(jié)點(diǎn)的連接是如何實(shí)現(xiàn)的？” 用戶經(jīng)常詢問“網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中那些地區(qū)出現(xiàn)毒氣？” 傳感器網(wǎng)絡(luò)不是以地址為中心的 用戶不會(huì)詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？” 用戶感興趣是“某個(gè)地理位置的溫度是多少？” 數(shù)據(jù)傳輸以聚集方式進(jìn)行,而不是地址到地址的路由,傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 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(biāo),挑戰(zhàn)之九 如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？ 以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心; 把數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融為一體; 為用戶提供有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫; 使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)一樣自如地使用感知數(shù)據(jù). 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的理論和技術(shù)是我們面臨的第九個(gè)挑戰(zhàn)性問題！,需要多種多樣的感知器 物理傳感器 生物傳感器 化學(xué)傳感器 ,挑戰(zhàn)之十 如何建立新感知器概念、理論、技術(shù)和各種新型感知器是我們面臨的第十個(gè)挑戰(zhàn)性問題？,其他挑戰(zhàn)性