物聯(lián)網(wǎng)與泛在智能

區(qū)別于以往強(qiáng)調(diào)人與人連接的互聯(lián)網(wǎng)概念，物聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)的范圍擴(kuò)展到了物與物。物聯(lián)網(wǎng)不僅在規(guī)模上更大，而且在語(yǔ)義上更豐富。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)均是以信息傳送為中心，而物聯(lián)網(wǎng)是以信息服務(wù)為中心，通過(guò)與傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、云計(jì)算平臺(tái)相結(jié)合，把對(duì)物理世界的感知、認(rèn)識(shí)、影響和控制與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類感知的統(tǒng)一。本講座將以物聯(lián)網(wǎng)的泛在信息感知、泛在網(wǎng)絡(luò)融合以及智能信息服務(wù)3個(gè)層面為線索，分期對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行概要介紹：第1講介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及泛在感知體系架構(gòu)；第2講將介紹泛在網(wǎng)絡(luò)融合與協(xié)同技術(shù)；第3講將介紹物聯(lián)網(wǎng)的泛在智能業(yè)務(wù)等。

1 概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感網(wǎng)技術(shù)特征

在計(jì)算機(jī)、微電子、通信網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互等新技術(shù)的推動(dòng)下，人類社會(huì)逐步由網(wǎng)絡(luò)連接的特征轉(zhuǎn)向了泛在信息服務(wù)的特征。物聯(lián)網(wǎng)正是在這一背景下快速發(fā)展起來(lái)的，但由于其技術(shù)內(nèi)涵和外延的不斷演進(jìn)，至今仍難以形成一個(gè)統(tǒng)一、完整和精確的定義。在其技術(shù)的不同發(fā)展時(shí)期，人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義也有所變化。2005年11月17日，國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，強(qiáng)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)是基于射頻識(shí)別（RFID）的物與物、物與人的互聯(lián)網(wǎng)。但是，隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的日漸成熟，現(xiàn)代服務(wù)科學(xué)技術(shù)與新興業(yè)務(wù)的日漸豐富，物聯(lián)網(wǎng)的傳統(tǒng)概念已不能適應(yīng)其技術(shù)與應(yīng)用需求的發(fā)展趨勢(shì)。

人們一般認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是融合了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多元信息采集、基于互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)乃至廣電網(wǎng)的信息傳送，以及基于信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的新興業(yè)務(wù)與應(yīng)用3個(gè)主要部分。其典型特征如下：

（1） 廣泛的信息獲取能力。作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的引擎，傳感器網(wǎng)是信息感知和處理的末梢。其區(qū)別于其它網(wǎng)絡(luò)的核心在于可以近距離、多視角、多參數(shù)的采集環(huán)境和事件的海量、多元信息，其中信息表現(xiàn)形式的多樣性，信息數(shù)量的巨大性，信息關(guān)系的復(fù)雜性都前所未有。傳感器設(shè)備可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)賦予信息特有的位置特征、身份特征等，可方便用于后期信息處理和信息溯源等應(yīng)用。

（2） 可靠的信息傳送能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，信息種類的豐富性和服務(wù)質(zhì)量保證的差異性會(huì)比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，“信息服務(wù)”而非“連接服務(wù)”將成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的基本特征。此外，作為建設(shè)泛在信息社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施和支撐環(huán)境，泛在網(wǎng)絡(luò)將成為信息通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的重要目標(biāo)。在各種現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合與協(xié)同的基礎(chǔ)上，需要可靠有效的傳輸技術(shù)適應(yīng)泛在智能服務(wù)的需要，為人們提供豐富的現(xiàn)實(shí)世界信息。

（3） 高效的信息應(yīng)用能力。物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的核心在于其業(yè)務(wù)的泛在智能特性：海量感知信息的豐富性和可靠信息傳送的泛在性，將促使物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)呈現(xiàn)一種多元化的趨勢(shì)。對(duì)海量感知信息進(jìn)行加工和利用，為社會(huì)、行業(yè)以及大眾用戶提供新的業(yè)務(wù)模式和業(yè)務(wù)體驗(yàn)，尤其是為其提供情境自適應(yīng)的泛在服務(wù)、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)模式和管理體系將成為物聯(lián)網(wǎng)的主要特征之一。

本講座針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)重要組成部分——基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多元信息采集、基于泛在網(wǎng)絡(luò)融合的信息傳送，以及面向信息利用的新興服務(wù)技術(shù)與業(yè)務(wù)為線索展開(kāi)。本期重點(diǎn)介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)內(nèi)容。

1.2 傳感網(wǎng)發(fā)展背景

20世紀(jì)中期以來(lái)，計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合催生了許多新的應(yīng)用模式和技術(shù)手段，但這二者的結(jié)合仍然基本屬于傳統(tǒng)的“人與人”或者“人與機(jī)”交互的范疇。直到20世紀(jì)90年代，隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)，以及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是與摩爾定律相印證，各類電子產(chǎn)品的制造成本持續(xù)地降低到人們可以接受的時(shí)候，一種同時(shí)擁有感知、計(jì)算和通信能力，并且能適用于各類不同環(huán)境的微型智能傳感器開(kāi)始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。而這些微小傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)化將全面改變?nèi)藗冃畔@取方式，這就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的、極具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種網(wǎng)絡(luò)可以將大量簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)大冗余地隨機(jī)部署在人跡罕至的惡劣環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)自組織的組網(wǎng)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種復(fù)雜環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息并傳送給感興趣的觀測(cè)者。作為溝通客觀物理世界和主觀感知世界的載體與橋梁，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，是信息感知和采集的一場(chǎng)革命。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究始于美國(guó)，最早是由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）為軍事應(yīng)用而發(fā)起的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前已是美國(guó)網(wǎng)絡(luò)通信和信息處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究之一，正步入一個(gè)高速發(fā)展的上升時(shí)期。歐盟在2007年的IST第七框架中將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為網(wǎng)絡(luò)化嵌入式控制系統(tǒng)的重要研究目標(biāo)之一；韓國(guó)的IT839計(jì)劃也將“無(wú)處不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)”列為三大尖端基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)內(nèi)容；日本的e-JAPAN和U-JAPAN戰(zhàn)略將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為在2010年需要實(shí)現(xiàn)的下一代信息和通信技術(shù)（ICT）社會(huì)的遠(yuǎn)景目標(biāo)之一。

2 傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 節(jié)點(diǎn)技術(shù)

節(jié)點(diǎn)技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)，所有與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的協(xié)議、機(jī)制、算法等都需要在節(jié)點(diǎn)上得以實(shí)現(xiàn)才具有實(shí)際意義。因此，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，是影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能、性能以及投入成本的最主要因素。

目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大都采用通用嵌入式平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，例如Crossbow的Mica系列以及Telos系列節(jié)點(diǎn)。它們的特點(diǎn)是采用通用的CPU來(lái)外接傳感器、射頻芯片等外設(shè)以此構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，并以軟件開(kāi)發(fā)為主要開(kāi)發(fā)手段。由于有TinyOS等操作系統(tǒng)的支持，使得圍繞此類節(jié)點(diǎn)的研發(fā)相對(duì)容易。但是由于節(jié)點(diǎn)上的硬件已經(jīng)固定，使得研發(fā)的靈活性有限，并不能在物理設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)來(lái)減少節(jié)點(diǎn)的體積、成本和功耗。并且由于節(jié)點(diǎn)的處理能力有限，很難進(jìn)行復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求雖然多種多樣，但大都要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備低功耗、低成本、小體積、布設(shè)方便、工作可靠等關(guān)鍵性能。采用片上系統(tǒng)集成技術(shù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)高度集成化及在物理設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)以減小體積、成本和功耗，并設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用的體系結(jié)構(gòu)以提高計(jì)算效率和計(jì)算能力，是從根本上解決低功耗、低成本和小體積的技術(shù)途徑，將能代表未來(lái)節(jié)點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。[!--empirenews.page--]

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與組網(wǎng)技術(shù)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究應(yīng)用中，協(xié)議棧的設(shè)計(jì)直接決定著節(jié)點(diǎn)自組織方式、通信性能以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和接入方式。在網(wǎng)絡(luò)資源受限情況下保持其能量有效性、可擴(kuò)展性、傳輸可靠性等是該技術(shù)研究目的之一。中國(guó)和國(guó)際上研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和自組網(wǎng)技術(shù)大體上分可為兩類：基于非IP的協(xié)議棧設(shè)計(jì)和基于IP的協(xié)議棧設(shè)計(jì)。

基于非IP的協(xié)議棧設(shè)計(jì)以Zigbee 協(xié)議棧和Sensor-Net協(xié)議棧為代表。Zigbee協(xié)議是由Zigbee聯(lián)盟提出的低能耗、低功率、可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)；而Sensor-Net是一種針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，在完成能量管理、系統(tǒng)管理、時(shí)間同步、發(fā)現(xiàn)以及安全等任務(wù)時(shí)，采用了跨層設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)各層間的相互協(xié)作使系統(tǒng)達(dá)到良好的管理控制效果。

目前基于IP的協(xié)議棧設(shè)計(jì)較少，主要以NanoStack、PhyNet和IPv6微型傳感路由器為代表。NanoStack 是基于6LoWPAN的嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件項(xiàng)目，該協(xié)議棧包括用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議/控制報(bào)文協(xié)議（UDP/ICMP）、6LoWPAN IPv6協(xié)議、IEEE802.15.4 媒體訪問(wèn)控制協(xié)議（MAC）等。由于IPv6支持的數(shù)據(jù)包容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IEEE802.15.4最大的幀容量，因此在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間設(shè)計(jì)、添加了適配層，實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包的分片和重組，以適應(yīng)低速率的傳輸限制要求。PhyNet協(xié)議棧是基于互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）工作組6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)制定的在無(wú)線個(gè)域網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)IP通信的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方案。該協(xié)議棧以IETF工作組提出的6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)為核心技術(shù)，嚴(yán)格支持IEEE802.15.4物理層及MAC層協(xié)議。

此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還必須支持與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，完成信息的共享和處理。為此，需要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和自組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方式，研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入其他網(wǎng)絡(luò)的總體模型等。

2.3信息處理技術(shù)

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息處理相關(guān)技術(shù)涉及范圍廣，包括在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的嵌入式、輕量級(jí)信息處理技術(shù)以及節(jié)點(diǎn)間的分布式網(wǎng)絡(luò)化信息處理技術(shù)。 一方面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、高觀測(cè)精度、異類傳感器信息可互補(bǔ)融合的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)理想的信息處理技術(shù)提供了條件和基礎(chǔ)。另一方面，考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低耗自組、異構(gòu)互連、泛在協(xié)同以及節(jié)點(diǎn)資源受限的特性，使得其信息處理又有著自身的特點(diǎn)以及技術(shù)要求和技術(shù)挑戰(zhàn)，具體的核心信息處理技術(shù)研究現(xiàn)狀如下：

節(jié)點(diǎn)內(nèi)信號(hào)處理與信息識(shí)別、信息提取技術(shù)。其目的是保證信號(hào)采集感知的準(zhǔn)確性，特別是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源有限性，需要實(shí)現(xiàn)嵌入式、輕量級(jí)的信號(hào)處理與信息識(shí)別、提取等技術(shù)。顯然，節(jié)點(diǎn)中的信號(hào)處理與信息識(shí)別、信息提取技術(shù)是和應(yīng)用密切相關(guān)的，且需要調(diào)諧節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理智能化程度及因資源限制算法輕量級(jí)的關(guān)系。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)間協(xié)同處理的分布式協(xié)同處理技術(shù)。其研究目的是提高節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境及目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)與屬性識(shí)別的決策智能性，包括分布式節(jié)點(diǎn)協(xié)同技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只能感知到局部的信息，就必須要節(jié)點(diǎn)的協(xié)同以便獲知全局信息。此外，多傳感器系統(tǒng)中，信息表現(xiàn)形式的多樣性，信息數(shù)量的巨大性，信息關(guān)系的復(fù)雜性都是前所未有的。這就使多傳感器信息融合技術(shù)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。

信息壓縮及信息編碼技術(shù)是為能顯著提高多跳鏈路的傳輸性能、實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效、可靠的傳輸。報(bào)文壓縮通過(guò)減少信息冗余來(lái)減少報(bào)文長(zhǎng)度，是一種有效的低功耗通信技術(shù)，并且可以減小數(shù)據(jù)報(bào)的端對(duì)端傳輸延遲，減少訪問(wèn)共享信道的沖突率。

2.4 安全技術(shù)

由于資源限制等特性，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨更多的挑戰(zhàn)。適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗安全解決方案需考慮通信和計(jì)算的有效負(fù)載、安全密鑰的分發(fā)與更新、節(jié)點(diǎn)安全認(rèn)證與抗捕獲性、安全密鑰管理的擴(kuò)展性等因素。這部分研究的目的是保證節(jié)點(diǎn)安全通信的信息安全。

密鑰管理是安全管理中最重要、最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，引入密鑰管理機(jī)制進(jìn)行有效控制，對(duì)增加網(wǎng)絡(luò)的安全性和抗攻擊性是非常重要的。另外，在傳感器網(wǎng)絡(luò)安全攻擊方面，常常集中于安全路由技術(shù)。近年來(lái)，中國(guó)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的研究主要集中在某些具體的密鑰管理協(xié)議方面，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性缺乏系統(tǒng)地研究，且基本上還停留在理論模型的水平上。在安全路由技術(shù)方面的研究主要集中在路由算法的穩(wěn)定性和算法仿真等方面，提出傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的安全模型和安全目標(biāo)，尚未提出一些具體實(shí)用的安全路由方法。

總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全模型研究大部分集中在某個(gè)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用性安全解決方案的研究較為缺乏，因此系統(tǒng)地開(kāi)展傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用安全模型的研究和實(shí)踐，包括安全通信協(xié)議、安全密鑰管理機(jī)制、安全路由與訪問(wèn)控制等模型是當(dāng)前安全技術(shù)研究一個(gè)目標(biāo)和趨勢(shì)。

3 傳感網(wǎng)體系架構(gòu)

傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)旨在研究網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間關(guān)系，即網(wǎng)絡(luò)組織形式。傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)之間往往采用平等、多跳、自組織的無(wú)線通信方式完成用戶指定的任務(wù)。而這種基于靜態(tài)固定數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)存在著節(jié)點(diǎn)能量損耗不均勻、數(shù)據(jù)傳輸效率低、部署缺乏靈活性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、易產(chǎn)生路由空洞、覆蓋空洞及瓶頸節(jié)點(diǎn)等固有問(wèn)題，往往導(dǎo)致其整體網(wǎng)絡(luò)性能劣化。因此，層次型WSN近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，它優(yōu)化了如能效、吞吐量、實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性等網(wǎng)絡(luò)性能。

3.1平面?zhèn)鞲芯W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

平面無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是由散布在一定地理區(qū)域的大量靜態(tài)節(jié)點(diǎn)組成。感知數(shù)據(jù)由源節(jié)點(diǎn)以自組織方式經(jīng)過(guò)多跳傳遞到遠(yuǎn)端Sink節(jié)點(diǎn)。通常情況下，這些節(jié)點(diǎn)具備類似的能量、儲(chǔ)存、計(jì)算和傳輸能力，即節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的。其數(shù)據(jù)流向多表現(xiàn)為“多對(duì)一”的特征，Sink的鄰居節(jié)點(diǎn)將充當(dāng)大數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)功能。因此，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，將不可避免地在Sink鄰居節(jié)點(diǎn)處形成瓶頸節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至直接導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

此外，數(shù)據(jù)在多跳網(wǎng)絡(luò)中傳輸丟失的機(jī)率隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而增加，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大而增多，相應(yīng)的能量消耗加劇，由此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)張而降低。

3.2 雙層傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為解決平面結(jié)構(gòu)Sink鄰居節(jié)點(diǎn)成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸的問(wèn)題，典型的雙層傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將選取一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)作為固定接入點(diǎn)，如圖1（a）所示，并將這些固定接入點(diǎn)稀疏散布在網(wǎng)絡(luò)中，形成上層覆蓋網(wǎng)絡(luò)以匯聚轉(zhuǎn)發(fā)其臨近區(qū)域的節(jié)點(diǎn)信息。這在一定毛程度上均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，并提高了網(wǎng)絡(luò)性能。但類似地，固定接入點(diǎn)附近仍會(huì)形成高能耗、大傳輸量的瓶頸區(qū)域。[!--empirenews.page--]

與此同時(shí)，終端技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)出明顯的多樣化、智能化、多?；内厔?shì)。各種便攜式的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如手機(jī)、筆記本電腦、PDA等不僅具有強(qiáng)大的計(jì)算、通信能力及移動(dòng)性，而且將取代傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的固定Sink，從而形成具有移動(dòng)Sink的新型傳感網(wǎng)體系架構(gòu)。如圖1（b）所示，移動(dòng)Sink在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，獲取臨近區(qū)域節(jié)點(diǎn)信息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至接入點(diǎn)。進(jìn)一步地，移動(dòng)Sink之間可協(xié)同形成上層自組織網(wǎng)絡(luò)，如圖1（c）所示。移動(dòng)Sink之間的協(xié)同工作能夠更顯著提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能：將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、接入處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸、路由維護(hù)等工作交由移動(dòng)終端來(lái)完成，可以盡可能地降低由于多跳無(wú)線傳輸造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（或丟包），還可以利用移動(dòng)終端相對(duì)較強(qiáng)的計(jì)算能力減輕無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)信息處理量。

雙層體系結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)向一個(gè)固定Sink傳輸數(shù)據(jù)的模式，有效地增大了系統(tǒng)生命期，均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率并獲得了更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性。但雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化仍局限于傳感網(wǎng)本身，而未考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中與其他網(wǎng)絡(luò)融合的問(wèn)題。

3.3 三層傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

當(dāng)前，無(wú)線技術(shù)共同為用戶提供了泛在、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這些異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分別具有不同的背景、目標(biāo)、發(fā)展方向、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、覆蓋范圍、通信協(xié)議、鏈路特性、應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)提供能力。在此背景下，三層傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)（如圖2所示）充分融合了有基礎(chǔ)設(shè)施的蜂窩網(wǎng)及無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的傳感網(wǎng)的互補(bǔ)特性，更有效地解決了由固定數(shù)據(jù)接入點(diǎn)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能惡化等問(wèn)題，并更適合應(yīng)用在未來(lái)泛在、異構(gòu)、協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

具體地說(shuō)，有基礎(chǔ)設(shè)施的蜂窩網(wǎng)具有強(qiáng)大的業(yè)務(wù)平臺(tái)、完善的運(yùn)營(yíng)模式和管理體系，但由于采用相對(duì)集中的控制和管理體系而缺乏靈活性；傳感網(wǎng)因其自組織性而具有顯著的靈活性，但傳輸距離短，缺乏完善的運(yùn)營(yíng)模式和管理體系。兩者有機(jī)融合使得區(qū)域部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能借助移動(dòng)廣域網(wǎng)的覆蓋獲得信息，并更廣范圍地傳遞和交互。而移動(dòng)廣域網(wǎng)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)采集到的豐富信息資源得到業(yè)務(wù)能力的拓展。從而在機(jī)器之間、機(jī)與人之間，人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效的信息交互方式，從信息采集、傳輸、處理、反應(yīng)的整體上優(yōu)化信息流通模式，建立起人與其周邊更加和諧的聯(lián)系。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)融合也帶來(lái)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。非IP和IP相融合的網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)應(yīng)充分利用并擴(kuò)展無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的多跳和自組織特性，實(shí)現(xiàn)與有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。需重點(diǎn)研究泛在異構(gòu)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的層次與平面的劃分、定義與功能抽象等，圍繞未來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信需求，結(jié)合自治計(jì)算、自治通信、認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、泛在計(jì)算等研究領(lǐng)域的最新技術(shù)，提出適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)需求的新型通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，解決泛在移動(dòng)環(huán)境下的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量和新業(yè)務(wù)的多樣性需求等問(wèn)題。此外，應(yīng)充分利用終端技術(shù)的多樣化、智能化、多?；芰Γ芯總鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)融合的自組織協(xié)同技術(shù)，在通信的末梢區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種終端能力、通信方式和接入手段的有機(jī)結(jié)合。

總之，區(qū)域部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、局域部署的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)以及廣域部署的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)融合的層次化新型體系架構(gòu)，其異構(gòu)鏈路可以提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率、傳輸可靠性，其能量異構(gòu)性也將提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

3.4 混合網(wǎng)絡(luò)特征與優(yōu)勢(shì)

混合網(wǎng)絡(luò)最顯著的特點(diǎn)在于異構(gòu)性與移動(dòng)性。節(jié)點(diǎn)能量、帶寬、鏈路以及計(jì)算能力的異構(gòu)性不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)的能量使用效率（即節(jié)點(diǎn)的能量使用效率）、網(wǎng)絡(luò)吞吐量，網(wǎng)絡(luò)可靠性和擴(kuò)展性，同時(shí)擴(kuò)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域并使商業(yè)化的部署變得簡(jiǎn)單可行。移動(dòng)性使代理設(shè)備可動(dòng)態(tài)進(jìn)行信息挖掘，有效地減少傳輸鏈路長(zhǎng)度、能量消耗，減輕了能量分布不均衡程度。

移動(dòng)性使網(wǎng)絡(luò)性能顯著提升。移動(dòng)代理通過(guò)減少節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)量有效地保持能量，增大了系統(tǒng)生命期；通過(guò)減少跳數(shù)將有效地降低錯(cuò)誤發(fā)生率，提高接收數(shù)據(jù)的可信度，也進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)因錯(cuò)誤重傳所消耗的能量；網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)代理可作為的專用的中繼節(jié)點(diǎn)，增加了數(shù)據(jù)傳輸效率，減少延時(shí)。此外，移動(dòng)路由代理可解決稀疏網(wǎng)絡(luò)及非連通網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。在大規(guī)模稀疏無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下，傳感器節(jié)點(diǎn)的空間密度較小，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的連通性降低，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的傳輸性能。將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為用于數(shù)據(jù)收集的移動(dòng)Sink會(huì)大大彌補(bǔ)這種稀疏網(wǎng)絡(luò)自身的不足，提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

同時(shí)，能量和鏈路等方面的異構(gòu)性也帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)中包含足夠“高能”節(jié)點(diǎn)，可解決多對(duì)一傳輸中Sink附近節(jié)點(diǎn)成為能量瓶頸點(diǎn)問(wèn)題，數(shù)據(jù)包可不經(jīng)由能量較低節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而到達(dá)Sink，增大網(wǎng)絡(luò)生命期。并且，鏈路異構(gòu)性減少了節(jié)點(diǎn)向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)的平均跳數(shù)。傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路可靠性較低，每一跳均明顯地降低了端到端的傳輸率。而骨干鏈路提供了一個(gè)跨網(wǎng)的高速鏈路，有效地增加了傳輸率、降低能耗。此外，一些移動(dòng)設(shè)備較普通節(jié)點(diǎn)具備更高的智能性、可編程性，便攜性，尤其是手機(jī)使用日益普及，在城市已形成較為成熟的規(guī)模化基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)。

4 總結(jié)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)信息獲取的泛在感知部分，是兆億級(jí)“物物互聯(lián)”的支撐技術(shù)。需要充分利用當(dāng)前泛在、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及其之間的互補(bǔ)特性，通過(guò)協(xié)同實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)真正自組織、自適應(yīng)的泛在智能服務(wù)。而將區(qū)域部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和廣域部署的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)融合將是未來(lái)泛在智能和移動(dòng)計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)，也成為新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)的重要發(fā)展方向之一。但如何充分利用并擴(kuò)展無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的多跳和自組織特性，實(shí)現(xiàn)與有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，仍存在技術(shù)挑戰(zhàn)和商業(yè)模式探索。