分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)dsn技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)dsn技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

一、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀傳感器技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展促進(jìn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并已成為研究的重點領(lǐng)域。雖然分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)從經(jīng)濟(jì)上可行，但是為了滿足當(dāng)今民用和軍用快速增長的復(fù)雜信息獲取技術(shù)的要求，仍然有一些技術(shù)難點需要克服，包括環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場重建、移動跟蹤、移動監(jiān)測、遙感等。圖1是分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)功能框圖，它從功能上描繪出分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成部分。分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是在基于分布式傳感器輸入的信息融合基礎(chǔ)上獲得知識和作出決策。在最底層，單個傳感器節(jié)點從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并作初步的數(shù)據(jù)處理使采集的數(shù)據(jù)擁有相同的格式，然后，這些中間數(shù)據(jù)在上層數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)一步集成融合以獲取知識和協(xié)助決策。隨著傳感器尺寸的不斷縮小和價格的不斷降低，可以通過增加傳感器數(shù)量來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性；另一方面，傳感器趨向于通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊，而無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有線網(wǎng)絡(luò)。這些變化給分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計帶來了新的課題。首先，集成數(shù)據(jù)量大大增加；其次，無線通訊帶寬減少；第三，單個傳感器單元的能耗必須大大降低；第四，環(huán)境更加惡劣，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接不可靠，也增加了輸入數(shù)據(jù)的錯誤率。20世紀(jì)90年代以來有一些研究者發(fā)表文章，討論了不同領(lǐng)域內(nèi)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。本文將從以下幾方面總結(jié)近年來分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展，包括：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理、容錯傳感器融合算法和最佳傳感器配置策略。二、雙組分網(wǎng)絡(luò)的研究20世紀(jì)80年代R.Wesson等最早開始了分布式傳感器網(wǎng)的研究，主要工作是確定可以用于分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。S.S.Iyengar等則對最早的設(shè)計作了重要的改進(jìn)。圖2是常規(guī)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括一系列傳感器節(jié)點和處理單元，以及聯(lián)結(jié)不同處理單元的通訊網(wǎng)絡(luò)。每個處理單元連接一個或多個傳感器，每個處理單元以及與之相連的傳感器稱為簇。數(shù)據(jù)從傳感器傳送至與之相連的處理單元，在處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。處理單元相互合作以取得對環(huán)境的最佳評價，并向高層次處理單元報告。R.Wesson等在最初的工作中分析了兩種結(jié)構(gòu):AC結(jié)構(gòu)和DHC結(jié)構(gòu),見圖3。AC結(jié)構(gòu)可以看作是完全相互聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò),沒有分層,任何節(jié)點可以同任意另一個節(jié)點直接通訊,結(jié)點之間的聯(lián)系是直接的。AC結(jié)構(gòu)雖然通訊方便,但是實現(xiàn)的費用較高,同時難以擴(kuò)展。DHC提供了一種分層結(jié)構(gòu),即樹狀結(jié)構(gòu),它只允許相鄰層的節(jié)點相互通訊,而同層節(jié)點不能相互通訊。與AC相比,DHC易于擴(kuò)展,但可靠性較差,因為一個節(jié)點出錯可能導(dǎo)致整個子網(wǎng)的斷開。為了克服AC和DHC的缺點，文獻(xiàn)中提出了混合AC和DHC的樹狀網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點組織是很多二進(jìn)制樹，根部完全相連，如圖4。雖然樹狀結(jié)構(gòu)改善了DSN的層狀結(jié)構(gòu)和魯棒性，但是當(dāng)信息向上傳遞時，底層節(jié)點的錯誤會積累起來。解決的方法之一是在網(wǎng)絡(luò)底層將節(jié)點相互連接。S.S.Iyengar等利用deBruijn圖(DG)把每層的節(jié)點相互連接起來，如圖4。與AC、DHC和樹狀網(wǎng)絡(luò)相比，DG有較好的容錯能力和可擴(kuò)展性（網(wǎng)的大小與節(jié)點數(shù)為對數(shù)關(guān)系）。傳感器技術(shù)和無線通訊的發(fā)展使Adhoc無線通訊網(wǎng)絡(luò)(AWSN)成為現(xiàn)實。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)不同，在無線通訊網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點之間的聯(lián)系是不斷變化的，網(wǎng)絡(luò)僅僅在需要通訊的短時間內(nèi)才被建立。以戰(zhàn)場為例,戰(zhàn)場上需要重量輕、廉價、高度專業(yè)性的傳感器,它們能在惡劣環(huán)境中無規(guī)則分布,并構(gòu)成傳感器融合網(wǎng)絡(luò)。每個單獨的傳感器節(jié)點可能不斷變化,同時由于無線網(wǎng)絡(luò)的高差錯率,傳感器的連接會斷續(xù)。因此,有效的傳感器融合網(wǎng)絡(luò)必須提供高魯棒性的通訊以克服節(jié)點差錯和服務(wù)差錯(例如某一類專用傳感器失效)。三、基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式的挑戰(zhàn)和模型設(shè)計無論網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有多大的不同，數(shù)據(jù)處理都傾向于采用一個普通的網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)模型：客戶機(jī)/服務(wù)器模式。很多分布式系統(tǒng)都支持客戶機(jī)/服務(wù)器模式，例如RPC，CORBA等等。在這一模型中，客戶（單個傳感器）向服務(wù)器（處理單元）送出數(shù)據(jù)，在服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。然而這一模型也有一些缺點。首先，客戶機(jī)/服務(wù)器模式處理一件任務(wù)需要在網(wǎng)絡(luò)上多次來回傳輸數(shù)據(jù)，每次傳輸都會消耗帶寬。如果系統(tǒng)中有大量的用戶和任務(wù)，將會出現(xiàn)帶寬限制，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。其次，在客戶機(jī)/服務(wù)器模式處理任務(wù)期間，網(wǎng)絡(luò)連接需要正常完好，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，任務(wù)必須重新開始。第三，設(shè)計基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式的系統(tǒng)必須精確考慮網(wǎng)絡(luò)流量，客戶機(jī)與服務(wù)器的數(shù)量，處理任務(wù)量等。如果估算不準(zhǔn)確，系統(tǒng)性能會降低，而一旦系統(tǒng)形成，就很難作任何更改。H.Qi等提出的移動代理概念可以解決以上問題，相應(yīng)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為基于移動代理的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(MADSN)。MADSN采用了新的計算策略，數(shù)據(jù)停留在節(jié)點當(dāng)?shù)兀商幚泶a在數(shù)據(jù)節(jié)點之間傳輸。MADSN具有以下優(yōu)點：1、降低帶域?qū)挾鹊囊蟛恍枰诰W(wǎng)絡(luò)上傳遞大量原始數(shù)據(jù)，僅僅需要代理傳遞少量數(shù)據(jù)。這一特性對于實時應(yīng)用場合以及通過窄帶寬進(jìn)行無線通訊的場合特別重要。2、網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測性網(wǎng)絡(luò)性能不受傳感器數(shù)量增加的影響。3、可伸縮性移動代理可以被編程以進(jìn)行任務(wù)自適應(yīng)的融合處理，系統(tǒng)的能力得到了擴(kuò)展。4、數(shù)據(jù)傳輸和移動代理移動代理可以在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通時傳送，在網(wǎng)絡(luò)重建時傳回結(jié)果。所以MADSN的性能不受網(wǎng)絡(luò)不可靠性的影響。表1是DSN和MADSN特性的比較，圖5是DSN和MADSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的比較。一般而言，移動代理是一類特殊的可以自執(zhí)行的軟件，開始執(zhí)行后，會自動在節(jié)點之間傳輸并處理數(shù)據(jù)。而一般的軟件僅在被調(diào)用時才能執(zhí)行。S.Franklin和A.Graesser提出了移動代理的正式定義，D.B.Lange則列出了應(yīng)用移動代理的七個原因，包括降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，克服網(wǎng)絡(luò)等待時間，魯棒性和容錯性能好等。雖然由于安全原因，移動代理在分布式計算中的作用仍在研究中，但應(yīng)用實例已經(jīng)證明了移動代理的優(yōu)點。例如移動代理應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)電子貿(mào)易，由顧客傳送給銷售商以確定訂單和送貨方式，再將合約傳送回顧客，顧客不需要直接和銷售商接觸。移動代理以代理人的身份為了顧客的利益和其他代理人協(xié)作，同時在網(wǎng)絡(luò)出故障時警告顧客。軍方對強(qiáng)魯棒性的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更加感興趣，而移動代理可以反映不斷連續(xù)變化的網(wǎng)絡(luò)狀況，保證應(yīng)用任務(wù)成功完成。四、維場地下傳感器配置直至目前，分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的大部分研究工作主要集中在給定的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有效的傳感器通訊和傳感器融合。然而，由于大量的傳感器用于現(xiàn)場操作，有效的配置策略顯得越來越重要。典型的情況下，通常多種傳感器需要同時使用。這些傳感器監(jiān)測范圍、檢測能力、價格等都不同。而監(jiān)測范圍大的傳感器價格較高，受成本限制，有時這些傳感器的使用會受到限制。另一方面，如果只采用短程的傳感器，傳感器的數(shù)量就會大大增加。因此，需要有最優(yōu)的傳感器配置策略以降低成本，同時保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖6是在一個柵格間距100m的場地上布置不同性能和價格的傳感器的不同方案。傳感器在指定場所的配置問題與文獻(xiàn)中的警報設(shè)置問題相似。警報器相當(dāng)于傳感器，在節(jié)點中配置警報器的方案應(yīng)該保證系統(tǒng)中的單個錯誤(某一節(jié)點失效)能夠被診斷出來。K.Chakrabarty等發(fā)現(xiàn)在有限拓?fù)?，例如一系列網(wǎng)格點中，這一問題可以通過代碼理論有效解決。傳感器被看作二維或三維網(wǎng)格中的交叉點，傳感器被配置于交叉點，整數(shù)線性編程模型(ILP)即可被用來在保證覆蓋面積的前提下確定最小成本。圖7是在二維場地，給定網(wǎng)格點(p=8)情況下的網(wǎng)絡(luò)模型。該模型使用了兩種傳感器，傳感器A價格$150，監(jiān)測范圍150m，傳感器B價格$200，監(jiān)測范圍200m，總共使用了20個傳感器，傳感器密度等于0.31。對于p=13的二維場地，需要65個傳感器監(jiān)測169個網(wǎng)格點，傳感器密度等于0.38。比理論值57略高，見圖8。K.Chakrabarty等假設(shè)所有的傳感器都是固定的，因此該模型可以很容易地擴(kuò)展到移動傳感器。移動傳感器的監(jiān)測范圍雖然很大，但同樣可以采用ILP模型來處理。很多情況下移動傳感器跟受歡迎，因為移動傳感器可以在較大的范圍內(nèi)巡視，也便于重新安排監(jiān)測位置，達(dá)到更好的監(jiān)測效果。所以移動傳感器增強(qiáng)了傳感器性能和生存能力。五、自適應(yīng)的控制傳感器技術(shù)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展給分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究帶來了光明的前景，但同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。面對海量的數(shù)據(jù)和能耗的限制，如何高效、及時的傳輸和處理數(shù)據(jù)，將成為分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要方向。A.Lim對自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳播提出了分布式服務(wù)的概念。在動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,必須采用自適應(yīng)的方法控制系統(tǒng)。A.Lim特別提出了三種基本的服務(wù):服務(wù)查找、傳感器節(jié)點構(gòu)成和動態(tài)自適應(yīng)。F.Wang提出了基于智能分享空間概念的結(jié)構(gòu),每個傳感器節(jié)點和服務(wù)被看作資源,在一個中央查找服務(wù)庫中注冊,對在傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點都可見,通過對資源的智能管理達(dá)到信息共享、合作與融合,當(dāng)某一傳感器節(jié)點不再能