传感器网络的概念

　　传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc 方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。

　　从上述定义可以看到，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。

　　一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。

　　节点间以 Ad Hoc 方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。接下来详细讨论传感器、感知对象和观察者。传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成,

　　电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存,控制感知部件和电源的工作模式等。

　　通信部件负责与其他传感器或观察者的通信.软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。观察者是传感器网络的用户，是感知信息的接受和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或其他设备。

　　例如，军队指挥官可以是传感器网络的观察者；一个由飞机携带的移动计算机也可以是传感器网络的观察者。一个传感器网络可以有多个观察者。一个观察者也可以是多个传感器网络的用户。观察者可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息，也可以被动地接收传感器网络发布的信息。

　　观察者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，或对感知对象采取相应的行动。感知对象是观察者感兴趣的监测目标，也是传感器网络的感知对象，如坦克、军队、动物、有害气体等。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来表征，如温度、湿度等。

　　一个传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象。一个对象也可以被多个传感器网络所感知。

　　传感器网络的特点与挑战  

　　传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。

　　这些特点向我们提出了一系列挑战性问题：

　　①通信能力有限。传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是我们面临的挑战之一。

　　②电源能量有限。传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要比执行计算更消耗电能。传感器传输1位信息所需要的电能足以执行3 000条计算指令。如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是我们面临的第二个挑战。

　　③计算能力有限。传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是我们面临的第三个挑战。

　　④传感器数量大、分布范围广。传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器的数量与用户数量比通常也非常大。传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高鲁棒性和容错性。这是我们面临的第四个挑战。

　　⑤网络动态性强。传感器网络具有很强的动态性。网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。传感器网络必须具有可重构和自调整性。这是我们面临的第五个挑战。

　　传感器网络的性能评价

　　传感器网络的性能直接影响其可用性，至关重要。如何评价一个传感器网络的性能是一个需要深入研究的问题。下面讨论几个评价传感器网络性能的标准，这些标准还没有达到实用的程度，需要进一步地模型化和量化。

　　①能源有效性。传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的请求数量。能源有效性是传感器网络的重要性能指标。到目前为止，传感器网络的能源有效性还没有被模型化和量化，还不具有有被普遍接受的标准，需要进行深入研究。

　　②生命周期。传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信息为止所持续的时间。影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬件因素也包括软件因素，需要进行深入研究。在设计传感器网络的软、硬件时，我们必须充分考虑能源有效性，最大化网络的生命周期。

　　③时间延迟。传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到回答信息所需要的时间。影响传感器网络时间延迟的因素也有很多。时间延迟与应用密切相关，直接影响传感器网络的可用性和应用范围。目前的相关研究还很少。需要进行深入研究。

　　④感知精度。传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度。传感器的精度、信息处理方法、网络通信协议等都对感知精度有所影响。感知精度、时间延迟和能量消耗之间具有密切的关系。在传感器网络设计中，我们需要权衡三者的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、降低时间延迟。

　　⑤可扩展性。传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生命周期、时间延迟、感知精度等方面的可扩展极限。给定可扩展性级别，传感器网络必须提供支持该可扩展性级别的机制和方法。目前不存在可扩展性的精确描述和标准，还需要进一步的深入研究。

　　⑥容错性。传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效。由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的。这样，传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有高鲁棒性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自动调整或自动重构纠正错误，保证网络正常工作。

　　传感器网络容错性需要进一步地模型化和定量化。容错性和能源有效性之间存在着密切关系。我们在设计传感器网络时,需要权衡两者的利弊。上述六个传感器网络的性能指标不仅是评价传感器网络的标准，也是传感器网络设计的优化目标。为了达到这些目标的优化，我们有大量的研究工作需要完成。

　　数据管理与处理是传感器网络的核心技术

　　基于传感器网络的任何应用系统都离不开感知数据的管理和处理技术。不言而喻，感知网数据管理和处理技术是确定感知网可用性和有效性的关键技术，关系到感知网的成败。对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。

　　观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。观察者不会提出这样的查询:“从A节点到B节点的连接是如何实现的?”，他们经常会提出如下的查询:“网络覆盖区域中哪些地区出现毒气?”。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。观察者不会提出查询:“地址为27的传感器的温度是多少?”，他们感兴趣的查询是“某个地理位置的温度是多少?”。

　　综上所述，传感器网络是一种以数据为中心的网络。以数据为中心的传感器网络的基本思想是，把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标。

　　传感器网络以数据为中心的特点使得其设计方法不同于其他计算机网络(包括 Internet)。传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，为用户或观察者提供一个有效的感知数据空间或感知数据库管理和处理系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术。

　　感知数据管理与处理技术包括感知网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合，融为一体，而不是像目前其他网络设计那样分而治之。只有这样，我们才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感器网络系统。

　　显然，感知数据管理和处理技术的研究是一项实现高效率传感器网络的重要和关键的任务。遗憾的是，到目前为止,感知数据管理和处理技术的研究还不多，还有大量的问题需要解决。感知数据管理与处理技术的研究是数据库界面临的新任务和新挑战，也为数据库界提供了新机遇。

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