大规模应用问题的思考 - 大规模传感器网络应用面临的问题

2 对于大规模应用问题的思考

　　影响传感器网络大规模应用有多种因素。首先部署的传感器节点资源是受限的。在小型化节点的要求下传感器节点的计算资源、存储资源及能量都非常有限。由于大多数的应用需要传感器节点进行野外布置，为了灵活性，电池成为首选能源。电池有限的能量需满足传感器网络长期工作的任务。为了延长电池的工作时间，只能使用低功耗的处理器和通信方式，因此造成传感器节点的处理能力低，通信范围和传输速率受限。

　　无线信号容易受到各种因素的干扰，会造成无线链路的质量和网络拓扑结构的变化。由于大多数应用的传感器节点部署于不受控的环境中，环境的变化会影响无线链路的质量和节点间的连通性，进而会改变网络的拓扑结构，这些动态变化的环境给理论模型的建立和推导提出了挑战，进而对建立于其上的网络协议设计等产生影响。

　　为了应对大规模应用中的问题，本文从网络架构、体系结构、移动传感器网络3个方面来展开针对大规模应用实用化方面的思考。

　　2.1 应用相关的网络架构降低流量失衡影响

　　传统的传感器网络采用多跳单汇聚节点的解决思路，即所有的传感器节点的数据采用多跳的传输手段汇聚到同一个汇聚节点上。这种架构的问题在于可扩展性差、能量利用率低、通信协议复杂且容易造成漏斗流量效应。为了应对这些问题，很多大规模应用中采用了变形的架构，如单跳单汇聚节点、单跳多汇聚节点、多跳多汇聚节点等。

　　*单跳单汇聚节点模式中所有传感器节点与汇聚节点的距离只有一跳。也就是说所有传感器节点与汇聚节点进行直接通信。这种模式适用于网络覆盖范围不是很大，所有节点都在一跳通信范围距离之内的情况。目前很多应用使用的此种架构，如智能家居、Wi-Fi网络等。

　　*单跳多汇聚节点模式中有多个汇聚节点，每个节点到汇聚节点之间的距离是一跳，即每个节点只要与任一个汇聚节点通信上即可实现网络的连通性。这些汇聚节点将收集到的数据汇聚到同一组数据服务器上进行存储与处理。本架构适用于不同区域且相距较远的场景下的数据收集。

　　*在大范围的网络中，无法使用单跳的方式进行部署，此时不得不采用多跳多汇聚节点的网络架构。汇聚节点之间一般可通过有线网络或其他网络进行互联，并将数据通过同一个后端服务器。

　　针对特定应用，选择合适的网络架构可以降低网络协议设计的复杂度，增加系统的可靠性，并解决数据流量不均衡和能量使用效率的问题。

　　2.2 标准化的体系结构降低网络管理难度

　　图2 经典传感器网络协议

　　随着传感器节点数量的增加，原有的体系结构不适于大规模网络节点的管理。传统的传感器节点硬件资源受到限制，为了更高效地进行数据处理，放弃了分层的思想而使用跨层设计，图2所示[6]为近10年内经典的传感器网络协议，多数协议采用了跨层的设计思想;大多数协议使用了局部算法;由于传感器网络的操作大多集中于分发和汇聚操作，因此大多数的协议没有为每个节点进行地址标识[7]。在传统传感器网络体系结构上对节点进行管理变得较为困难。然而经过10年技术的发展，传感器的硬件性能得到了较大的提升，处理能力也大幅提升，针对单个节点进行查询控制操作需求的应用的出现及传感器节点的任务更加复杂，改变了原有设计的观点和准则，使得应该考虑更加层次化、可复用性高、易于寻址与路由、便于自配置与自管理的网络体系结构。在现有技术中，IPv6是较好的解决思路之一[8]。通过修改媒体访问控制(MAC)协议和增加6LoWPAN适配层可实现将IPv6应用于传感器网络中。

　　工业界针对6LoWPAN的应用和发展，制订了不同场景下的路由要求，如针对城市环境和工业场景等。从国家战略层面上对6LoWPAN也在进行大力支持，如2010年工业与信息化部发布的国家科技重大专项中(03专项)，发布了基于IPv6的无线传感网的网络协议研发及验证、基于IPv6的无线传感器网络协议一致性测试方法研究及仪表研发两个专项子课题。

　　2.3 引入和利用移动性优化网络性能

　　大规模传感器网络应用中，往往没有固定的网络基础设施。如战场监测、边境监测、森林监测等，网络覆盖范围大，但是节点密度稀疏，网络往往是分离的，因此不能保证提供持续、稳定的连接，此时传统的网络架构及形式将不能满足需求。在这种情形下，通过汇聚节点的移动对各个节点信息的收集是一个较好的选择。在汇聚节点自身移动，或者人、动物、直升机等携带移动的过程中，当到达某一个节点的通信范围内时，传感器节点将其收集到的信息发送给汇聚节点，由汇聚节点携带信息回后端系统。通过汇聚节点的移动，使得网络不需要全连通，大大减少节点的部署密度，避免了漏斗流量效应的问题。造成的后果是数据延时较大，因此适用于对网络延时要求不高的应用。目前的一个研究热点移动容迟网络(DTN)属于这种网络形式。

　　以我们团队设计实现的感知城市信息收集系统为例。城市中部署有各种类型的传感器节点，这些节点周期性地或基于事件触发地收集周围环境的信息，如车祸等突发事件、交通流量信息、环境噪音信息、环境污染情况等，城市公交车及出租车中安装有移动汇聚节点，利用行驶的公交车或出租车将传感器节点采集到的数据收集回服务器，并将其通过因特网发布，使用者可通过浏览器、智能手机、PDA等设备查看这些数据。由于城市范围太广，部署的传感器节点无法达到全连通的网络状态，而公交车及出租车又遍及城市，因此，利用了车载移动汇聚节点成功实现了感知数据的收集。

　　2.4 强化网络测试评估能力完善理论模型

　　传感器网络通常部署在复杂环境中，环境中多种因素的干扰和节点失效等可能造成节点间无线链路与网络拓扑动态变化，准确测量与评估网络性能非常困难，因此，需要在部署前仿真大规模传感器网络的行为，及时发现网络故障和优化网络配置。

　　传感器网络系统的研发过程划分为3个阶段[9]：首先，在系统研发初期对网络系统进行小规模的模拟仿真，验证协议、算法和系统的可行性。然后把协议、算法等移植到实际的小规模测试床上，进行小规模实物测试和评估。最后在实际场景中进行部署，进入(试)运行阶段。如图3所示，其中，横轴代表节点规模，纵轴代表真实度(即实验环境与实际部署环境的差异程度)，3个条块代表3个研发阶段。