大規(guī)模應用問題的思考 - 大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡應用面臨的問題

　　影響傳感器網(wǎng)絡大規(guī)模應用有多種因素。首先部署的傳感器節(jié)點資源是受限的。在小型化節(jié)點的要求下傳感器節(jié)點的計算資源、存儲資源及能量都非常有限。由于大多數(shù)的應用需要傳感器節(jié)點進行野外布置，為了靈活性，電池成為首選能源。電池有限的能量需滿足傳感器網(wǎng)絡長期工作的任務。為了延長電池的工作時間，只能使用低功耗的處理器和通信方式，因此造成傳感器節(jié)點的處理能力低，通信范圍和傳輸速率受限。

　　無線信號容易受到各種因素的干擾，會造成無線鏈路的質(zhì)量和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化。由于大多數(shù)應用的傳感器節(jié)點部署于不受控的環(huán)境中，環(huán)境的變化會影響無線鏈路的質(zhì)量和節(jié)點間的連通性，進而會改變網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，這些動態(tài)變化的環(huán)境給理論模型的建立和推導提出了挑戰(zhàn)，進而對建立于其上的網(wǎng)絡協(xié)議設計等產(chǎn)生影響。

　　為了應對大規(guī)模應用中的問題，本文從網(wǎng)絡架構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、移動傳感器網(wǎng)絡3個方面來展開針對大規(guī)模應用實用化方面的思考。

　　2.1 應用相關(guān)的網(wǎng)絡架構(gòu)降低流量失衡影響

　　傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡采用多跳單匯聚節(jié)點的解決思路，即所有的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采用多跳的傳輸手段匯聚到同一個匯聚節(jié)點上。這種架構(gòu)的問題在于可擴展性差、能量利用率低、通信協(xié)議復雜且容易造成漏斗流量效應。為了應對這些問題，很多大規(guī)模應用中采用了變形的架構(gòu)，如單跳單匯聚節(jié)點、單跳多匯聚節(jié)點、多跳多匯聚節(jié)點等。

　　*單跳單匯聚節(jié)點模式中所有傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離只有一跳。也就是說所有傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點進行直接通信。這種模式適用于網(wǎng)絡覆蓋范圍不是很大，所有節(jié)點都在一跳通信范圍距離之內(nèi)的情況。目前很多應用使用的此種架構(gòu)，如智能家居、Wi-Fi網(wǎng)絡等。

　　*單跳多匯聚節(jié)點模式中有多個匯聚節(jié)點，每個節(jié)點到匯聚節(jié)點之間的距離是一跳，即每個節(jié)點只要與任一個匯聚節(jié)點通信上即可實現(xiàn)網(wǎng)絡的連通性。這些匯聚節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)匯聚到同一組數(shù)據(jù)服務器上進行存儲與處理。本架構(gòu)適用于不同區(qū)域且相距較遠的場景下的數(shù)據(jù)收集。

　　*在大范圍的網(wǎng)絡中，無法使用單跳的方式進行部署，此時不得不采用多跳多匯聚節(jié)點的網(wǎng)絡架構(gòu)。匯聚節(jié)點之間一般可通過有線網(wǎng)絡或其他網(wǎng)絡進行互聯(lián)，并將數(shù)據(jù)通過同一個后端服務器。

　　針對特定應用，選擇合適的網(wǎng)絡架構(gòu)可以降低網(wǎng)絡協(xié)議設計的復雜度，增加系統(tǒng)的可靠性，并解決數(shù)據(jù)流量不均衡和能量使用效率的問題。

　　2.2 標準化的體系結(jié)構(gòu)降低網(wǎng)絡管理難度

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　　圖2 經(jīng)典傳感器網(wǎng)絡協(xié)議

　　隨著傳感器節(jié)點數(shù)量的增加，原有的體系結(jié)構(gòu)不適于大規(guī)模網(wǎng)絡節(jié)點的管理。傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點硬件資源受到限制，為了更高效地進行數(shù)據(jù)處理，放棄了分層的思想而使用跨層設計，圖2所示[6]為近10年內(nèi)經(jīng)典的傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，多數(shù)協(xié)議采用了跨層的設計思想;大多數(shù)協(xié)議使用了局部算法;由于傳感器網(wǎng)絡的操作大多集中于分發(fā)和匯聚操作，因此大多數(shù)的協(xié)議沒有為每個節(jié)點進行地址標識[7]。在傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)上對節(jié)點進行管理變得較為困難。然而經(jīng)過10年技術(shù)的發(fā)展，傳感器的硬件性能得到了較大的提升，處理能力也大幅提升，針對單個節(jié)點進行查詢控制操作需求的應用的出現(xiàn)及傳感器節(jié)點的任務更加復雜，改變了原有設計的觀點和準則，使得應該考慮更加層次化、可復用性高、易于尋址與路由、便于自配置與自管理的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中，IPv6是較好的解決思路之一[8]。通過修改媒體訪問控制(MAC)協(xié)議和增加6LoWPAN適配層可實現(xiàn)將IPv6應用于傳感器網(wǎng)絡中。

　　工業(yè)界針對6LoWPAN的應用和發(fā)展，制訂了不同場景下的路由要求，如針對城市環(huán)境和工業(yè)場景等。從國家戰(zhàn)略層面上對6LoWPAN也在進行大力支持，如2010年工業(yè)與信息化部發(fā)布的國家科技重大專項中(03專項)，發(fā)布了基于IPv6的無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議研發(fā)及驗證、基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議一致性測試方法研究及儀表研發(fā)兩個專項子課題。

　　2.3 引入和利用移動性優(yōu)化網(wǎng)絡性能

　　大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡應用中，往往沒有固定的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施。如戰(zhàn)場監(jiān)測、邊境監(jiān)測、森林監(jiān)測等，網(wǎng)絡覆蓋范圍大，但是節(jié)點密度稀疏，網(wǎng)絡往往是分離的，因此不能保證提供持續(xù)、穩(wěn)定的連接，此時傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)及形式將不能滿足需求。在這種情形下，通過匯聚節(jié)點的移動對各個節(jié)點信息的收集是一個較好的選擇。在匯聚節(jié)點自身移動，或者人、動物、直升機等攜帶移動的過程中，當?shù)竭_某一個節(jié)點的通信范圍內(nèi)時，傳感器節(jié)點將其收集到的信息發(fā)送給匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點攜帶信息回后端系統(tǒng)。通過匯聚節(jié)點的移動，使得網(wǎng)絡不需要全連通，大大減少節(jié)點的部署密度，避免了漏斗流量效應的問題。造成的后果是數(shù)據(jù)延時較大，因此適用于對網(wǎng)絡延時要求不高的應用。目前的一個研究熱點移動容遲網(wǎng)絡(DTN)屬于這種網(wǎng)絡形式。

　　以我們團隊設計實現(xiàn)的感知城市信息收集系統(tǒng)為例。城市中部署有各種類型的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點周期性地或基于事件觸發(fā)地收集周圍環(huán)境的信息，如車禍等突發(fā)事件、交通流量信息、環(huán)境噪音信息、環(huán)境污染情況等，城市公交車及出租車中安裝有移動匯聚節(jié)點，利用行駛的公交車或出租車將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)收集回服務器，并將其通過因特網(wǎng)發(fā)布，使用者可通過瀏覽器、智能手機、PDA等設備查看這些數(shù)據(jù)。由于城市范圍太廣，部署的傳感器節(jié)點無法達到全連通的網(wǎng)絡狀態(tài)，而公交車及出租車又遍及城市，因此，利用了車載移動匯聚節(jié)點成功實現(xiàn)了感知數(shù)據(jù)的收集。

　　2.4 強化網(wǎng)絡測試評估能力完善理論模型

　　傳感器網(wǎng)絡通常部署在復雜環(huán)境中，環(huán)境中多種因素的干擾和節(jié)點失效等可能造成節(jié)點間無線鏈路與網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化，準確測量與評估網(wǎng)絡性能非常困難，因此，需要在部署前仿真大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡的行為，及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡故障和優(yōu)化網(wǎng)絡配置。

　　傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的研發(fā)過程劃分為3個階段[9]：首先，在系統(tǒng)研發(fā)初期對網(wǎng)絡系統(tǒng)進行小規(guī)模的模擬仿真，驗證協(xié)議、算法和系統(tǒng)的可行性。然后把協(xié)議、算法等移植到實際的小規(guī)模測試床上，進行小規(guī)模實物測試和評估。最后在實際場景中進行部署，進入(試)運行階段。如圖3所示，其中，橫軸代表節(jié)點規(guī)模，縱軸代表真實度(即實驗環(huán)境與實際部署環(huán)境的差異程度)，3個條塊代表3個研發(fā)階段。

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　　圖3 傳感器網(wǎng)絡開發(fā)階段