無線傳感器網絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。傳感器網絡一般由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和數據服務器組成。

　　越來越多的傳感器網絡的研究和技術針對于特定的行業(yè)和應用。其中，很多應用都需要進行大規(guī)模的部署，以達到高覆蓋、高精確感知等目的。如森林火災監(jiān)測、戰(zhàn)場上敵情監(jiān)測等，成千上萬枚傳感器節(jié)點部署于環(huán)境中，用于完成監(jiān)測任務。然而，與小規(guī)模應用相比，大規(guī)模應用中除了節(jié)點數量上的區(qū)別外，還會產生節(jié)點管理困難、資源使用不均衡等一系列問題。

　　1 大規(guī)模應用面臨的問題

　　經過傳感器網絡理論與技術的發(fā)展，雖然其在各行各業(yè)都得到了廣泛的應用，然而目前大多數的應用仍然局限于小規(guī)模程度。如在火山活動狀況監(jiān)測的應用[1]中，設計者在火山口布置了16個傳感器節(jié)點，用來監(jiān)測火山溫度、震動等信息;在野生斑馬監(jiān)測系統(tǒng)[2]中，部署了6～10套裝置于斑馬頸部，監(jiān)測斑馬的移動及生活習性;在大鴨島行為監(jiān)測系統(tǒng)中[3]，部署了32個節(jié)點用于監(jiān)測島上海鳥的習性等。少量傳感器網絡在部署、組網、能量等方面的問題都不會太突出，其要解決與處理的關注點與大規(guī)模應用不同。因此，要探究大規(guī)模傳感器網絡中存在的問題和解決思路，須依靠大規(guī)模傳感器網絡的應用系統(tǒng)。

　　很多科研機構與公司已經開始在大規(guī)模傳感器網絡應用方面做了嘗試。如香港科技大學等單位在浙江省天目山建立的綠野千傳系統(tǒng)[4]，部署了上千枚節(jié)點，持續(xù)工作了1年以上，用于監(jiān)測森林環(huán)境的溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等。為了減少冬季一氧化碳中毒事故的發(fā)生，在北京朝陽區(qū)崔各莊鄉(xiāng)部署的一氧化碳監(jiān)測報警系統(tǒng)，每個村莊有大約8 000到12 000個房間，每個房間內都部署了一氧化碳監(jiān)測傳感器節(jié)點，這些節(jié)點將室內的一氧化碳濃度信息收集到管理節(jié)點進行監(jiān)測和管理。現(xiàn)有的應用實例對我們設計和研究大規(guī)模傳感器網絡和系統(tǒng)提供了有力的依據。通過對大規(guī)模傳感器網絡系統(tǒng)的研究，歸納出目前大規(guī)模應用面臨的三大問題。

　　1.1 流量不均衡

　　在傳感器網絡中并不是每個節(jié)點的流量都是一樣的，這主要由于傳感器網絡中數據匯聚服務為主要業(yè)務，數據從感知節(jié)點到匯聚節(jié)點的匯聚過程中，越靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點需要擔負越多的轉發(fā)任務，使得越靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點數據量越大，產生漏斗流量效應。流量的不均衡容易使流量大的節(jié)點的能量過早耗盡，影響整個網絡的連通性和工作壽命。當傳感器節(jié)點網絡規(guī)模增加時，網絡中的流量會成倍增加，每個數據包經歷的平均跳數就會增加，使得中間的節(jié)點不得不耗費大量的能量用于數據的中轉，降低了能量的使用效率;且由于節(jié)點數量的增加，路由維護成本也相應的增加。

　　1.2 需求與功能失衡

　　在互聯(lián)網中，數據處理設備和數據傳輸設備往往有明顯界限，且由于使用環(huán)境多為非受限，其性能與功能容易做到匹配。相比而言在傳感器網絡中，節(jié)點既是信息采集設備又要起到中間路由作用，幾乎每個節(jié)點都需要完成感知、傳輸、計算的功能。但是傳感器節(jié)點往往是一個嵌入式系統(tǒng)，這就造成與其網絡資源、計算資源與存儲資源等受限的事實嚴重不匹配。又由于傳感器網絡漏斗流量特性，使得網絡流量和節(jié)點負載不均衡，這更加劇了這種失衡。相比而言，后端系統(tǒng)由于不受能量的束縛，其性能可以不受限制，不會成為系統(tǒng)的“瓶頸”，而其完成的功能主要為數據的存儲或透傳，相對較單一。在傳感器網絡中性能差的設備工作負載重，而性能好的設備工作負載低，造成了需求與功能失衡的矛盾。

　　1.3 理論與實際失衡

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　　圖1 無線信道模型

　　在無線傳感器網絡系統(tǒng)實際部署前，常需要進行模擬仿真與小規(guī)模測試。其中使用的理論模型與實際模型差距較大。例如無線信道模型，常用的理論模型為圓盤模型，即當接受設備位于以發(fā)射設備為中心，通信距離為半徑的一個圓內時，可正常通信。然而在實際情況中，由于受到遮擋及天線方向圖等原因，通信范圍不可能是標準的圓形，而是一個不規(guī)則的形狀，如圖1所示[5]。另外無線信道易受到周圍的環(huán)境的干擾，其通信的范圍也是時變的，造成對通信范圍的評估產生困難。目前仍然沒有很好的模型能夠精確地描述信道特性。