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1、无线传感网络的基础理论及关键技术研究倪明选刘云浩朱燕民本文作者:倪明选、刘云浩、朱燕民,香港科技大学和上海交通大学研究资助:国家重点基础研究发展计划项目(2006CB303000摘要中国在经济持续高速发展的同时,也面临着一系列严重的社会及环境问题,比如煤矿安全、环境污染以及交通阻塞等。低成本无线传感器网络(wireless sens or net w ork,W S N 的出现针对这些问题和挑战提供了良好的解决方案。国家重点基础研究发展计划项目“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”已于2006年9月正式启动。该项目立足实际应用,采用系统化的研究方法,试图解决中国社会所面临的现实问题。虽然是一
2、项基础研究,但该研究的长远目标是解决实际问题并挖掘其中的商业应用价值。可以预见,该研究的成功将极大地促进中国经济和社会的持续发展。一、引言中国作为世界上人口最多的发展中国家,其经济实力在过去二十年的飞速发展以及人民生活水平的显著提高得到了全世界的认可。然而,在取得巨大成功的同时,中国也必须面对一系列严重的社会及环境问题,其中有三个突出的问题直接关系到中国的可持续发展。(1煤矿安全问题。受经济快速发展的刺激,中国对石油和煤炭等能源的需求以前所未有的速度增长,煤矿开采业也因此得到了快速发展。如今的中国遍布着大大小小的煤矿,而许多煤矿(尤其是私人开采的煤矿安全状况极其恶劣。瓦斯爆炸和透水造成的重大伤
3、亡事故时有发生,粉尘造成的矽肺病也严重威胁工人的健康。(2环境污染问题。空气、土壤及水资源的污染已经成为中国许多地方的严重问题。尤其是淡水河流和湖泊普遍受到城市生活垃圾、工业废水、农药残留物以及矿藏开采用水的污染。水资源污染势必会对环境和人民生活健康造成长期的危害。2005年底,中石油吉林石化一车间发生爆炸,导致有毒化学物质泄露,引发松花江流域大面积污染,迫使拥有九百万人口的哈尔滨市暂停从松花江取水长达十余天,并造成沿岸数百万居民饮水困难。(3交通拥塞问题。随着汽车拥有量的增多,城市道路变得越来越拥挤,特别是一些大都市在上下班高峰期交通阻塞状况尤其严重。虽然基础设施建设从未停止,城市居民仍然每
4、天都受到交通阻塞的困扰。在北京,即使从住所到办公室的距离不超过20k m ,在高峰期开车也经常需要1小时以上。近几年来,电子技术、嵌入式系统及无线通信领域快速发展,使得人们可以开发出低成本、低能耗的无线传感器网络,并用于对环境进行实时监控。由于无线传感器网络技术在解决许多现实问题中具有性价比优势,已经吸引了学术界、工业界及政府部门的广泛关注。人们可以将无线传感器网络部署在任何感兴趣的区域自动采集信息,藉此解决许多富有挑战性的重大问题。与传统有线计算机网络相比,无线传感器网络具有许多新的特征。首先,传感器节点的体积非常小,因此配备的资源很有限,比如内存较小、能量不足和带宽较低等。其次,由于获取全
5、局身份标识开销过大,传感器节点通常没有唯一的全局身份标识。第三,传感器节点通常采用电池供电,因此其生命周期相对较短。第四,传感器网络一般由大量节点组成,部署在远距离和无人看管的区域,节点失效的情况时有发生。最后,在节点随机部署的情况下(比如采用飞机散播方式,形成的网络拓扑极不规则。以上特征使得无线传感器网络与传统的网络截然不同,传统的网络技术不再适用于传感器网络的设计。目前开展的很多研究工作都致力于解决无线传感器网络中的巨大挑战。我国和世界其他国家在该领域都有很多研究项目,其中的研究热点包括:节点定位1、时间同步2、网内信息处理3、事件侦测4及路由算法5等。同时,中国无线传感器网络年会(200
6、7年9月第一届大会在哈尔滨召开,参见:ht 2t p:/ ornet .org .cn /c w sn /2007/default .ht m 也提高了中国学术界和工业界对这一新兴领域的关注。虽然现有的传感器网络技术为解决上述重大问题提供了良好的借鉴,但这远远不能满足我们关注的应用需求。首先,典型的应用场所(例如城市市区范围广大,需要部署大规模的传感器节点。如果传感器网络成本过高,将会限制其部署和应用。因此,这种应用要求节点平台不仅要节能,而且成本要低。第二,在煤矿监控和化学污染检测等应用中,检测结果直接关系到人民的生命财产安全,系统的异常行为有可能引发灾难性后果。因此,在这样的应用中,可靠性
7、、鲁棒性和安全性在系统设计和实现过程中至关重要。最后,社会经济的各个部门几乎都受到了这些挑战性问题的影响,这意味着应该尽快提出并实现新的解决方案。同时,在真实环境中对传感器网络进行试验和验证也很有必要。总之,这种以产品为驱动的独特理念对解决方案提出了严格的要求。国内外已有的相关项目存在以下不足。一方面,它们缺少对传感器网络的系统化研究,仅局限于部分领域,所提出的方案也只与某一类具体问题相关。显然,通过拼凑多个孤立方案形成的系统并不是最优的。更糟的是,它们之间有可能相互冲突。另一方面,目前大多数项目都不太关注现实问题,所设计的系统往往采用小规模的试验平台或者是简化的模拟器,而很少在真实环境下经过
8、长时间的运行测试,这对于大规模或者商业系统来说是不够的。为了突破已有项目的局限,适应当前中国所面临的迫切需求,我们提出了无线传感器网络的创新性研究计划。中国10所知名的大学和研究所参加了这个计划,分别是:上海交通大学、香港科技大学、中国科学技术大学、南京大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、清华大学、国防科技大学、中科院计算所和中科院软件所。该计划的目标包括:(1开发一个低成本、低能耗,适用于多种应用环境的通用传感器网络平台。(2设计一系列能量有效的网络协议。通过整合这些协议可以为多种应用提供优化的解决方案,协议源代码将会对外开放。(3搭建一个大规模测试平台,并在上面集成高效的评估方法。基于这个平台
9、,研究人员能够更加精确地分析用于各种物理环境的协议和系统。(4采用低成本的传感器节点解决国家面临的几个关键性问题。我们致力于将其中先进的解决方案推广到商业化应用。该研究计划得到了国家重点基础研究发展计划(973计划的支持(项目名称:无线传感网络的基础理论及关键技术研究;项目编号:2006C B303000。二、项目概况根据预期达到的总体目标,该项目分成三个组成部分:原型系统研发、基础研究和测试平台搭建。该项目研究以应用为驱动,聚焦中国社会的现实需求。此外,项目采用系统化的研究方法,综合运用了各种相关技术,针对三个关键的应用提出了有效的解决方案。(1煤矿监控系统。在矿井中,煤矿工人面临的主要安全
10、威胁包括火灾、爆炸、透水和塌方等。因此,实时监控各种关键的环境参数是十分重要的,如瓦斯、粉尘、水和氧气浓度。我们设计了一套综合监控系统来解决煤矿中这些突出的安全技术问题。(2水污染监测系统。该项目将开发一套检测水污染的传感器网络系统。该系统能够提高中国预防水污染的技术水平。通常污染源分布区域较广,很难通过巡检员来发现所有的污染源,尤其是隐蔽的排污口。此外,当发生严重的水污染事故时,实时监测和报告水质的变化情况显得十分重要。(3城市交通监控系统。该项目还将开发一套城市道路交通信息的传感器监控系统。该系统可以帮助交通管理部门更准确地做出决策,对交通进行有效疏导。在缺乏高效的自动化交通监控系统的今天
11、,这个即将开发的系统将会提供低成本的实时交通监控信息。以上述三个关键应用为中心,该项目分解为7个课题。课题一:开发节点平台。参考伯克利M ica2等现有节点平台,我们将尝试多种平台设计方案,在其中加入内存管理、事件调度等先进特性,同时采用低能耗的无线通信技术(如I EEE802.15.4。课题二:开发自组织与自配置的核心协议,这些协议主要包括分布式定位协议、时间同步协议、拓扑控制协议以及能量管理协议等。在协议的设计过程中将特别关注不同协议之间的兼容与优化,使不同协议可以融合在一起协同工作。课题三:设计能量有效的通信协议,如MAC协议、路由协议等。由于在不同的应用场景中,数据流模式区别非常大,例
12、如:在查询分发以及网络重编程应用中,数据由基站流向各个传感器节点;在数据采集应用中,绝大部分数据由各个传感器节点流向基站;在某些情况下,数据还可能从一个节点流向另一个或多个传感器节点。因此,有必要开发多种不同的路由算法。课题四:传感器网络与I nternet互联技术研究。互联技术可以满足用户从多个基站获得传感器网络中的数据,极大提高传感器网络中的数据获取性,建立及增强传感器网络系统与其他应用系统之间的联系。课题五:开发传感器网络数据管理系统。由于单个节点的资源非常有限,把所有传感器感知的原始数据传送回基站是非常不明智的。因此数据融合与数据聚集等网内处理技术对节省传感器网络的能量消耗显得非常重要
13、。我们也将开发传感器网络数据库管理系统,允许用户采用传统数据库的查询方式获取传感器网络的数据。课题六:应用示范系统研究。基于上述三个主要应用系统的解决方案,本课题将进一步开发多种不同类型的示范系统。这些示范系统可以促进各项技术与解决方案的商业化。为了实现将这些技术的商业化,示范系统需要充分展现无线传感器网络系统在解决上述问题中的全部优点。课题七:建立大规模的实验平台。本课题将部署一个超过2000个传感器节点的实验平台,同时开发与实验平台相关的评估与诊断技术。三、研究进展项目启动以来,我们成功地开展了许多研究工作。我们设计了一种新的节点平台。该平台能耗较低,并携带大量的传感设备。此外,我们还努力
14、降低节点的开发成本以适应项目的需要,并开发出了用于移动目标侦测的高灵敏度超声及红外传感器。这些传感器能够广泛地运用在目标感知应用中(采用该节点平台,我们在2007年I PS N“极限感知竞赛”中获得了第二名的优异成绩。在设计用于监测水污染的微型化学传感器方面我们也取得了进展。我们设计了丰富的集成核心协议用于满足多种应用需求。如果应用需要某项协议的功能,用户可以通过模块化的方式方便地把协议添加进来。在核心协议的设计过程中,我们特别注意各种协议之间的兼容性。当把多个协议集成到同一应用时,系统能够良好地运行,并能降低能量的消耗。我们为基于802.15.4标准的传感器网络设计了一种有效的拓扑控制算法6
15、。在保证网络连通性的同时,让尽可能多的节点处于节能工作模式,最大限度地降低网络的能量消耗。我们还提出了一个完全分布式的节点标识分配算法自组织标识分配算法(SI D A。通过自动标识分配及针对不同通信场景下的各种优化,SI D A极大地提高了网络的可扩展性、灵活性以及能量有效性7。在大多数传感器网络应用中,节点定位问题非常重要,距离无关定位算法在降低成本和提高系统可用性方面均优于距离相关的定位算法。同时,在缺乏足够锚节点的情况下,现有的距离无关算法不能解决各向异性网络的定位问题。我们首次提出了在各向异性网络中仅使用三个锚节点就能实现距离无关的节点精确定位算法8。这为我们在矿井恶劣的通信环境中实现
16、系统的跟踪定位以及自我调整提供了技术基础。无收发器目标跟踪技术9使得煤矿工人在几乎不用携带任何无线设备的情况下仍能够被精确定位。分簇在传感器网络的许多技术中都至关重要,例如MAC、路由以及数据融合。我们根据给定的成员节点到簇首节点的最大单跳距离,设计了一种分布式分簇算法10。该算法在均匀分布各簇的同时能够最小化簇首节点个数和平衡传输负载。我们已经搭建了一个200多个节点的中型实验平台,并且开发了一种能够对传感器网络应用进行实时评估的仿真机制。对由大量传感器节点构成的实验平台进行性能评估容易受到高成本、低维护性和有限可操控性等因素的限制。为了完善该实验平台,我们开发出了一种基于PC的仿真环境,在该环境中能够直接对应用进行调试、测试以及性能评估。此外,对底层(硬件驱动、操作系统以及组网配置以及跨层技术的研究也能通过在该平台中添加相应目标模
