傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與問題

1、傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與問題李建中計算機科學(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 傳感器接近感知對象 傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流 傳感器無計算能力 無傳感器間通信能力SensorsObject信號分析傳統(tǒng)的感知方法有線/無線連接現(xiàn)代感知方法Sensing AreaObjectUser端 傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對象區(qū)域 每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測 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告觀測結(jié)果SinkInternet或通信衛(wèi)星Sensor networkUser端現(xiàn)代微型傳感器感知能力計算能力通信能力體積小能耗小由六部分組成Nested SoftwarePower UnitSe

2、nsing UnitSensorADCProcessing UnitCommunication UnitStorage現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)嵌入式計算技術(shù)分布式信息處理技術(shù)無線通信技術(shù)傳感器節(jié)點密集傳感器節(jié)點靜止或移動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, 報告給用戶.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)危險區(qū)域監(jiān)測有滅絕

3、危險或珍貴動物的跟蹤監(jiān)護民用和工程基礎(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 MonitoringSensor attached to every vehicle.Capable of detecting their location, vehicle sizes, speeds and ; road conditionsAlternate routes, estimate trip times Traffic Control Biological S

4、ystems作戰(zhàn)環(huán)境偵查戰(zhàn)場監(jiān)測與指揮傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點與挑戰(zhàn)通信能力有限節(jié)點帶寬窄，而且經(jīng)常變化節(jié)點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)雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰(zhàn)問題！多源、多跳是主要通信方式多個傳感器節(jié)點向一個目標(biāo)傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個傳感器節(jié)點組成的路徑挑戰(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挑戰(zhàn)問題！節(jié)點移動、斷接頻繁在移動網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點移動頻繁節(jié)點間通信的

5、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, 因此傳感器可能會長時間脫離網(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)計奠定堅實理論基礎(chǔ)是我們面臨的第三個挑戰(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3000條計算指令挑戰(zhàn)之四如何傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作過程中節(jié)省能，實現(xiàn)能源均衡，最大

6、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挑戰(zhàn)性問題！計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器，具有計算能力但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導(dǎo)致傳感器的計算能力十分有限挑戰(zhàn)之五 如何使用大量具有有限計算能力的傳感器設(shè)計能源有效的高性能分布式算法? 設(shè)計同時最小化能源、時間、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)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很大區(qū)域，也可以分布在險惡環(huán)境下傳感器數(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挑戰(zhàn)之六如何

7、使傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件具有高強壯性和容錯性是我們面臨的第六個挑戰(zhàn)性問題！大規(guī)模分布式觸發(fā)器很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對感知對象進行控制（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挑戰(zhàn)性問題？感知數(shù)據(jù)流無限傳感器網(wǎng)絡(luò)每個傳感器都產(chǎn)生無限的流式數(shù)據(jù)，并具有實時性每個傳感器僅具有有限的存儲器和計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流挑戰(zhàn)之八如何設(shè)計高效率、能源有效、實時的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？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)點到B節(jié)點的連接是如何

8、實現(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詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個地理位置的溫度是多少？”數(shù)據(jù)傳輸以聚集方式進行,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挑戰(zhàn)性問題？其他