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无线传感器网络实用化面临的七个技术挑战

发布时间:2013-11-9      发布人:泽天科技      点击:

美国《商业周刊》在其“未来技术专版”中发表文章指出,效用计算、无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业,它们将掀起新的产业浪潮。

由于无线传感器网络的巨大应用价值,它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。目前,世界上很多国家都在无线传感网络方面投入了较大人力物力进行研究,我国对此也进行了了一些理论基础的研究和实际开发。

美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划,投资3400万美元,支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力,把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事传感器网络研究项目美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作,纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展开了该领域的研究工作。

但是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。由于无线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,是其面临的挑战之一。

(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无线传感器网络的需要。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3000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,是面临的第2个挑战。

(3) 计算能力有限。无线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,是面临的第3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、硬件必须具有高强壮性和容错性。这是面临的第4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。无线传感器网络必须具有可重构和自调整性。这是面临的第5个挑战。

(6) 大规模分布式触发器。很多传感器网络需要对感知对象进行控制,如温度控制。这样,很多传感器具有回控装置和控制软件。我们称回控装置和控制软件为触发器。成千上万的动态触发器的管理是面临的第6个挑战。

(7) 感知数据流巨大。传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据,并具有实时性。每个传感器仅仅具有有限的计算资源,难以处理巨大的实时数据流。需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。这是面临的第7个挑战。