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突破自組織傳感網(wǎng)大規模應用壁壘
1998年，我參加工作時(shí)間不長(cháng)，被作為臨時(shí)翻譯派到紐約，坐在賣(mài)煙草晉身的IBM總裁郭士納一尺遠的地方聽(tīng)他說(shuō)理想中的E-service概念。那時(shí)我還不知道后來(lái)異常有名的“智慧塵�！备拍钜呀�(jīng)公之于眾了，郭士納先生也未必知道自己后來(lái)將因為所謂的15年周期定律被我們頻頻說(shuō)起。大家抽空用中文悄悄交換著(zhù)剛聽(tīng)到的傳奇般的雅虎和免費的Email空間，真正在聽(tīng)郭士納滔滔不絕的，其實(shí)只有我這個(gè)翻譯。
我在第一次走進(jìn)五星飯店洗手間的時(shí)候，知道了傳感器原來(lái)離我這么近。其實(shí)傳感器的開(kāi)發(fā)和使用有多很年了，但是給傳感器附加通信功能，組成自組織、自我協(xié)同的智能化網(wǎng)絡(luò )系統，是近十年內取得的巨大進(jìn)步。在“智慧塵�！敝�，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的概念迅速拓展到民用當中。在一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中，大量的傳感器等微型化計算設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )自組織的聯(lián)接在一起，完成持續環(huán)境監控和大規模數據采集的任務(wù)，填補計算世界里數據來(lái)源這個(gè)木桶短邊。
傳感網(wǎng)怎么了？
世界范圍內都有無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的應用，加州大學(xué)伯克利分校的大鴨島動(dòng)物監測與紅木監測、哈佛的火山遙感、麻省理工的河流監控，進(jìn)一步推動(dòng)了自組織傳感網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱潮。國內外研究取得了顯著(zhù)進(jìn)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)應用延伸至眾多領(lǐng)域，包括軍事、工業(yè)控制、環(huán)境觀(guān)測、生態(tài)安全、數字生活、交通監控。但是，綜觀(guān)國際上比較有代表性的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)系統（表1），不難看出，當前實(shí)際系統可達的規模和運轉壽命，與當初無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)被提出時(shí)的目標相去甚遠。我們曾經(jīng)設想的傳感網(wǎng)，都是成千上萬(wàn)的點(diǎn)，不論是面向路由的還是邊界檢測的，存在的意義都是龐大規模下的系統；而簡(jiǎn)單殘酷的事實(shí)是，且不論真實(shí)系統，連演示系統都停留在“百”這個(gè)量級上；網(wǎng)絡(luò )存活的時(shí)間，更是短得看不到優(yōu)勢。我們不得不思考一下，大規模長(cháng)期部署的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)系統到底面臨什么挑戰？
說(shuō)到這里，明眼的讀者可能會(huì )立刻問(wèn)我一個(gè)尖銳的問(wèn)題：什么是大規模？因特網(wǎng)上億節點(diǎn)，手機網(wǎng)也是上億的節點(diǎn)，從廣義上說(shuō)都可算是傳感網(wǎng)，到了你這里怎么“千”就成了大規模了？原來(lái)的方法就不好用了？
這是個(gè)非常好的問(wèn)題，也非常難以用幾句話(huà)說(shuō)到點(diǎn)子上，我用一個(gè)也許不大恰當的比喻試著(zhù)說(shuō)說(shuō)。在自組織網(wǎng)絡(luò )里，沒(méi)有中心節點(diǎn)，通信又是多跳的，國際上認為幾百個(gè)就是大規模了。這就好比國慶表演集體操，如果事先演練好了，大家按流程來(lái)，幾萬(wàn)人跳整齊了也不算太大的事。如果事先沒(méi)有演練，而是由某個(gè)人來(lái)指揮，而大家都能直接聽(tīng)得見(jiàn)他的號令（類(lèi)似單跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )如移動(dòng)手機網(wǎng)的情形），跳整齊了也不是多難的事。然而，事先沒(méi)有演練，而指揮人不能同時(shí)給所有人發(fā)出他們直接聽(tīng)得見(jiàn)的號令，只能發(fā)給身邊的幾個(gè)人再慢慢一個(gè)個(gè)傳開(kāi)，臨時(shí)碰上各種情況大家還要商量著(zhù)來(lái)，那么可以想象要保證幾百人整齊操練是多么困難。
“綠野千傳”感知林業(yè)
為了探尋大規模自組織網(wǎng)的挑戰的根源和解決方案，我們發(fā)起了“綠野千傳”項目。當時(shí)提出了3個(gè)1的決心，即在一個(gè)野外的真實(shí)環(huán)境，部署超過(guò)一千個(gè)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)系統，連續運轉一年以上。
為什么選擇了林業(yè)為應用背景呢？一方面，林業(yè)在可持續發(fā)展戰略中占據重要地位，在生態(tài)建設中居于首要地位，在西部大開(kāi)發(fā)中也意義重大，在應對全球氣候變化中，更是種戰略選擇。2007年9月8日，“森林方案”，強調通過(guò)森林恢復和增長(cháng)，增加碳匯，減緩氣候變化；2009年9月22日在紐約G20氣候變化峰會(huì )上，他提出用“森林碳匯”來(lái)減緩氣候變化——發(fā)展林業(yè)是應對全球氣候變化的戰略選擇。
另一方面，林業(yè)應用是在森林這個(gè)復雜系統的背景下展開(kāi)的，森林物種繁多、類(lèi)型多樣、分布地域廣闊、生長(cháng)周期長(cháng)，林業(yè)應用在時(shí)間上要求同步、持續性，在空間上要求范圍廣、測點(diǎn)多，還要求維持較低的人力和設備成本；林學(xué)已有的技術(shù)和方法難以滿(mǎn)足上述條件，遭遇精確描述刻畫(huà)系統結構與功能的難度大的瓶頸。就拿碳匯來(lái)說(shuō)，大家都知道森林能固碳，但到底什么樣的森林固多少二氧化碳，都是大致的估算，世界范圍內也不能算有非常準的測量。因此，探尋新技術(shù)新方法勢在必行。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)低功耗、智能化自組織、大規模持續同步監測、低成本的諸多特點(diǎn)，是一個(gè)有效的解決林業(yè)應用瓶頸的可行方案。
無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)與林業(yè)應用相結合，林業(yè)給予無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)足夠強大的應用驅動(dòng)力，而無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)能給林業(yè)學(xué)科在研究方法和思維方式層面帶來(lái)變革�；谶@兩點(diǎn)考慮，我們選擇了林業(yè)作為著(zhù)眼點(diǎn)。
綠野千傳的系統研發(fā)工作始于2008年下半年。到今天為止，前后參與的單位和人員除了香港科技大學(xué)，還包括浙江農林大學(xué)周?chē)＝淌�、西安交大趙季中教授、杭州電子科大戴國駿教授、美國IIT李向陽(yáng)教授、清華大學(xué)顧明教授、北京郵電大學(xué)馬華東教授、哈工大李建中教授、同濟大學(xué)蔣昌駿教授等。此外，這個(gè)項目還得到了自然基金委、科技部、國家林業(yè)局等單位專(zhuān)家直接或者間接的指導。2009年5月，項目組成功部署了一個(gè)120個(gè)節點(diǎn)的原型系統，到2009年10月，原型系統擴充至330個(gè)點(diǎn)，至今已經(jīng)運轉超過(guò)11個(gè)月（http://greenorbs.org/）。2009年8月，項目組在浙江省天目山脈實(shí)現了一個(gè)超過(guò)200個(gè)節點(diǎn)的實(shí)用系統，該系統至今已經(jīng)連續運轉超過(guò)8個(gè)月。
為什么我們不一下子推到1000個(gè)節點(diǎn)呢？實(shí)際上，算上我們在浙江農林大學(xué)其他幾個(gè)實(shí)驗點(diǎn)部署的小型系統，總的節點(diǎn)數早已經(jīng)超過(guò)1000，通過(guò)Internet，它們之間的數據都是互聯(lián)互通的；而我們前前后后制造和測試的節點(diǎn)，已經(jīng)超過(guò)2000個(gè)。但這還不是我們心目中真正的“千傳”。雖然通過(guò)Sink和Internet，它們之間可以交換數據，也可以被認為是一個(gè)系統，但是我們這里追求的，是要在一個(gè)sink控制范圍內的1000節點(diǎn)。
突破壁壘 直面三大挑戰
通過(guò)一年多以來(lái)的觀(guān)察和對系統收集的大量傳感網(wǎng)數據的分析，我們對當前無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)突破大規模應用壁壘面臨的根本挑戰有了一點(diǎn)認識。我們總結為3個(gè)主要方面。
首先，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)傳輸和感知兩大功能不匹配。主要表現為兩種形式：一方面，圖像、聲音、視頻等數據可以利用對應的圖像和聲音傳感器直接獲取，但這類(lèi)數據量大，且經(jīng)常要求實(shí)時(shí)傳輸，要通過(guò)帶寬非常有限的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )傳送，難度很高。另一方面，不同應用需要各種各樣的傳感器數據，比如在林業(yè)應用中，二氧化碳含量和光譜數據具有廣泛用途，地震波強度數據在防災減災中意義重大。這類(lèi)數據量小，較易于傳輸，但現實(shí)的難題是，可以提供這些數據且適用于大規模部署的低成本傳感器尚未成熟。直白地說(shuō)：就是易感不易傳、易傳不易感。這個(gè)根本矛盾，直接導致無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)無(wú)法滿(mǎn)足真實(shí)應用領(lǐng)域的感知需求。要解決這個(gè)矛盾，有若干關(guān)鍵問(wèn)題亟待研究，包括設計高性能低功耗傳感器以突破網(wǎng)絡(luò )傳輸帶寬瓶頸、設計與優(yōu)化路由協(xié)議以提升可靠性和網(wǎng)絡(luò )吞吐率，以及多模態(tài)數據融合和非確定性數據處理、異構傳感網(wǎng)的體系結構和數據管理等等。我們把這個(gè)壁壘，稱(chēng)作“傳感失諧”。
其次，是網(wǎng)絡(luò )管理方面的困難。與傳統企業(yè)網(wǎng)絡(luò )和因特網(wǎng)的節點(diǎn)多數在室內的環(huán)境相比，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)經(jīng)常在惡劣環(huán)境當中，風(fēng)吹日曬、雪打雨淋。同時(shí)傳感器節點(diǎn)的通信和計算資源極端有限，傳統網(wǎng)絡(luò )上類(lèi)似SNMP類(lèi)型的Agent匯報機制無(wú)法有效支持。更為嚴峻的是，傳統網(wǎng)絡(luò )即使斷了，也比較容易判斷是物理上斷了，還是物理上仍然連接而是軟件或者系統出了故障；而在傳感網(wǎng)這里，斷了就是斷了，很難找到問(wèn)題根源，給修復帶來(lái)巨大困擾。我們把這個(gè)困難稱(chēng)為“診判失據”。
第三，大多數現有研究工作都基于理想化的模型假設，比如UDG或者quasi-UDG模型，忽略了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)運行過(guò)程中伴隨的各種不確定物理因素和可能的環(huán)境動(dòng)態(tài)性。例如，定位算法大多基于規則的信號強度到物理距離的映射模型，覆蓋算法設計很多是采用各向同性的確定性的感知模型，拓撲控制對傳輸半徑及其可控性做了很多假設，但實(shí)際上連拓撲邊的存在與否都要依賴(lài)于對link評估方式的定義。由此產(chǎn)生的研究成果，當系統規模小的時(shí)候還不明顯，一旦規模大了，立刻顯現出巨大的反差，無(wú)法直接應用于指導和仿真實(shí)用系統。我們稱(chēng)為“模型失用”。
面臨這些困難，我們當然有足夠的理由懷疑傳感網(wǎng)的實(shí)際應用到底還有多遠。但是，不要緊，我們拍拍腦門(mén)想一想，如果把時(shí)間軸稍微拉得寬一點(diǎn)，很容易想到在不太遠的未來(lái)，大多數日常物體都被連在網(wǎng)絡(luò )上了，物理的Instrumented、互聯(lián)的Interconnected、智能的Intellectual，應該就是這樣的吧，有什么可以懷疑的呢？這樣說(shuō)來(lái)，我們今天做的探索，無(wú)論離正確還有多遠，都在朝著(zhù)未來(lái)走去。
1970年，我爺爺60歲，早晨出門(mén)碰上大隊書(shū)記，聽(tīng)見(jiàn)他口袋里竟然有人唱戲，驚訝而好奇，莫名其妙地跟了一路，忘了自己是撿糞來(lái)的；1990年，我20歲，拿到人生第一個(gè)可以錄放的隨身聽(tīng)，在沒(méi)有暖氣的初冬攢縮在學(xué)生宿舍被窩里手舞足蹈，任憑音樂(lè )響到凌晨斷電，捂著(zhù)吵得半聾的耳朵奔去食堂；2010年，我女兒5歲，在家里畫(huà)畫(huà)，順手拿過(guò)桌上的iTouch, 在Internet上搜到No Body But You，唱著(zhù)畫(huà)著(zhù)，怡然自得。
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