综述及分析：无线传感器网络的分析及启示

     发展规律周期（hype cycle）模型由行业研究机构Gartner发行，是一个非常广泛的行业发展的周期预测。hype cycle描述了一项技术从诞生到成熟的过程，并将现有各种技术所处的发展阶段标注在图上，为一些行业的发展作出很好的预测。 
　　图中，横坐标表示技术的成熟度，纵轴表示技术受关注的程度。其中的曲线表明：在相关领域里，每项技术的发展过程均可分为五个阶段：上升期、快速发展期、下降期、爬坡期和稳定应用期。其中，上升期和快速发展期是理论研究阶段，在这两个时期内，新的技术理论从出现到快速成长，并很快到达巅峰。这一段时间的工作以基础理论研究为主，理论突破频繁、成果大量涌现。到了快速发展期的顶端，基础理论基本成熟，研究成果的总量已经很多，理论探索空间越来越小。此后，理论工作者对该项技术的关注程度逐渐降低。而此时，该项技术在产业上的应用尚未成熟，因此，新技术的受关注程度进入下降期。随着新技术在产业应用中的逐渐成功，产业技术的研究热潮使得该项技术的受关注程度再次增加，并将其带入一个持续发展的爬坡期。相对于理论研究而言，产业技术研究的内容要细致和深入得多。因此，这个阶段的发展速度已远远不如上升期那么迅速。最终，随着基本产业技术的成熟，应用技术研究进入稳定应用期。

      附录:Gartner (高德纳，又译顾能公司)全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司，成立于1979年，总部设在美国康涅狄克州斯坦福。其研究范围覆盖全部IT产业，就IT的研究、发展、评估、应用、市场等领域，为客户提供客观、公正的论证报告及市场调研报告，协助客户进行市场分析、技术选择、项目论证、投资决策。为决策者在投资风险和管理、营销策略、发展方向等重大问题上提供重要咨询建议，帮助决策者作出正确抉择。

      创新采用曲线（Innovation Adoption Curve）：Rogers创新采用曲线是对创新采用的各类人群进行研究归类的一种模型， 它的理论指导思想是在创新面前，部分人会比另一部分人思想更开放，更愿意采纳创新。 这个模型也被称之为，创新扩散理论（Diffusion of Innovations Theory），或多步创新流动理论（Multi-Step Flow Theory）。这套理论是由美国学者埃弗雷特 • 罗杰斯（E.M.Rogers）提出的。埃弗雷特·罗杰斯认为创新是一种被个人或其他采纳单位视为新颖的观念、时间或事物，而一项创新应具备相对的便利性、兼容性、复杂性、可靠性和可感知性五个要素。他把创新的采用者分为创新者、早期采用者、早期采用人群、后期采用人群和迟缓者：

      l 创新者（Innovators）他们是勇敢的先行者，自觉推动创新。 创新者在创新交流过程中，发挥着非常重要的作用。

      l 早期采用者（Early Adopters） 他们是受人尊敬的社会人士，是公众意见领袖，他们乐意引领时尚、尝试新鲜事物，但行为谨慎。

      l 早期采用人群（Early Majority）他们是有思想的一群人，也比较谨慎，但他们较之普通人群更愿意、更早地接受变革。

      l 后期采用人群（Late Majority）他们是持怀疑态度的一群人，只有当社会大众普遍接受了新鲜事物的时候，他们才会采用。

      l 迟缓者（Laggards）他们是保守传统的一群人，习惯于因循守旧，对新鲜事物吹毛求疵，只有当新的发展成为主流、成为传统时，他们才会被动接受。

      创新采用曲线的运用：Rongers的创新采用曲线说明，试图快速印证、广泛采用全新的、争议中的创新主意，是不现实的。 促进创新采用的最好的方法是，首先说服创新者与早期采用者。 在沟通过程中，还可以结合创新类别与采用百分比，更为准确地估计目标群体。

      刚才的图中只是一项技术从出现到发展在到最终成为工业成熟的产品经过的一般过程，但能经过整个过程的技术在众多出现的技术中只是很幸运的一部分，还有很多技术刚刚在其中进行到某个阶段就开始逐渐退出众人的视线。例如，由于高铁技术近年来的高速发展及我国的广泛使用，当年作为顶尖技术之一的磁悬浮技术正逐渐由决定未来铁路发展方向的一个重要技术分支逐渐转向一项技术储备，在应用领域越来越难觅踪影。从今天介绍的无线传感网络的发展上，这一曲线描述的规律印证的更加明显。

      第一部分：无线传感网络的提出

      无线传感网络（Wireless Sensor Network, WSN）由空间中分布的自主感知节点（微型传感器节点）组成，这些感知节点用于检测诸如温度，声音，压力等物理或环境变量，并将采集的信息以协作方式通过网络发送给网络的所有者。这些微型传感器节点由传感器、微处理器、通信系统和电源四大部分组成：主被动传输装置及探测接收装置共同构成通信系统；模拟I/O、DSP、控制模块构成微处理器；电源电容、太阳能电池、薄膜电池都属于电源部分；传感器是相对独立的模块。

      在2002年，smart dust在当年热门技术中被人看好。

      无线传感器网络的研究最早起源于军事应用,最早提出的智能微尘(smart dust)技术是指通过具有处理功能的的一种超微型传感器，实现Battlefield Surveillance，探测周围诸多环境参数，收集大量数据，进行适当计算处理，然后利用双向无线通信装置将这些信息在相距1000英尺的微尘器件间往来传送。在军事上，通过飞机撒播,特种炮弹发射等手段将大量传感器节点密集撒布于本方人员不易到达的观察区域。通过被动传感器,如磁学传感器、热学传感器、声学传感器、化学传感器、电气传感器、光学传感器和主动传感器,如超声波传感器,雷达对目标的存在、距离、速度、方向和目标的目的地进行分析。甚至可以对这些传感器的信息进一步分析,确定目标是非武装人员、武装人员、车辆、甚至车辆的规模。

       如下图所示，为当时美国的海军C4系统的示意图。则可以看作是WSN在军事领域的典型应用。

                                                                 图 美国海军C4系统

     无线传感器网络的应用前景十分广阔，除了军事领域，还能够广泛应用于环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、空间探索以及安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，它必将深入到人们生活的各个领域，如图

                                                     无线传感器网络的应用领域

      作为一项研究方向，对于传感器网络的研究在产生之初几乎是呈爆炸式发展，美国的麻省理工学院、哈佛大学、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、斯坦福大学等世界著名大学，以及包括Intel、Microsoft、IBM、DUST、Crossbow 在内的著名企业都纷纷开展无线传感器网络方面的研究。

      但在发展过程中无线传感网络的技术瓶颈也逐渐表现出来： (1)电源能量有限:节点体积微小,通常只能携带能量非常有限的电池,而且由于部分节点部署环境的随机性和特殊性,因此通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。(2)通信能力有限,由于传感器节点的能力限制,节点的传输距离一般为几十米,传感器节点的无线通信带宽也比较有限,通常只有几百kbps的速率,而且受障碍物等自然环境的影响和破坏,无线通信性能可能经常变化。(3)节点计算和存储能力有限,传感器节点是一种微型嵌入式设备,这限制了它的处理能力和存储器容量。在军事应用中,传感器一般传感器本身需要尽量小型化,避免被敌对方发现并摧毁即可。而在其他方面，传感器节点只需稳定工作数周,在功耗方面并没有严格的要求。即使部分传感器可能会失效,在这种情况下,传感器网络作为一个整体,能够完成任务即可。但在工业生活领域中，这些技术瓶颈以及成本上的问题带来的影响限制了其向市场产品的广泛转化。

        但到了2008年，在众多热门技术中再也找不到和WSN相关的技术。

      直到2011年，两个和WSN相关的技术：mesh网和物联网（Internet of Things ，ITO）重新被标识在图中。mesh网络传感器作为无线传感网络的一个技术分支在列。无线mesh网络源于美国国防部高级研究规划署资助的分组无线网络研究，最初的动机就是满足战场生存的需要。90年代后期，随着一些技术的公开，mesh网络成为移动通信领域一个公开的研究热点。目前无线mesh网络技术尚未完全达到实用阶段，大部分工作仍处在仿真和试验阶段，该技术难点是在组网技术上面，即怎样建立一个有效的运算规则和网络协议，能使网络高效可靠的工作，无论在网络层、链路层层或物理层至今还没有形成统一标准。Mesh网络也称为“多跳网络”，它是一个动态的可以不断扩展的网络架构，并能有效地在无线设备之间传输。在传统的无线局域网中，用户如果要进行相互通讯的话，那么首先会访问一个固定的接入点（AP），这种访问的方式被称为单跳网络。而在多跳网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器。这样的好处是：如果最近的节点由于流量大而拥塞的话，那么数据可以重新选择一个小流量路径进行传输。数据包根据网络的情况，从一个节点依次传送到多个节点，最终到达目的地。这样的访问方式就是多跳访问。WMN（Wireless Mesh Network) 是移动Ad Hoc网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动Ad Hoc网络的研究与开发。它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的无线网络，可以看成是一种WLAN和Ad Hoc网络的融合，且发挥了两者的优势，作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构。

      其核心是让网络中的每个节点都发送和接收信号，使普通无线技术过去一直存在的可扩充能力低和传输可靠性差等问题迎刃而解。网络中大量终端设备能自动通过无线连成网状结构，网络中的每个节点都具备自动路由功能，每个节点只和邻近节点进行通信，因此是一种自组织、自管理的智能网络，不需主干网即可构筑富有弹性的网络。传统无线通信网络必须预先设计和布置网络，它的传输路径是固定的，而mesh网络的传输路径是动态。

       同时在列的还有物联网。物联网（Internet of Things，IOT）的概念最早是在1999年提出的，也称为Web of Things。被视为互联网的应用扩展，应用创新是物联网的发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。物联网被定义为通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外线感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

      今年，Gartner预测的影响工业界未来三年的top 10技术趋势物联网也依然在列。如今，IOT已经进入实际利用阶段。Gartner 副总裁兼研究员David Cearley指出，连接互联网的Things中，有50%已经日用品化。若给Things下定义，它不是常用的计算机设备，而是指特殊用途的插入机器。因此，企业的CIO有必要清晰地理解OT（Operation Technology）和IT（Internet Things）两者融合所带来的影响。例如，美国旧金山就尝试，在停车场设置传感器，自动把握空置状况，以便协助司机找到适当的地点。IOT的另外一个实例是，行驶距离连动型保险（PAYD：Pay As You Drive），就是在汽车上设置传感器，根据行驶距离改变支付汽车保险费用。同样，PAYD方式也适用于征收税金方面。

      附录：Gartner预测的影响工业界未来三年的top 10技术趋势：

      1. MOBILE DEVICES BATTLES 移动终端竞争

      2. MOBILE APPS AND HTML5  移动应用软件以及HTML5

      3. PERSONAL CLOUD  个人云（这里不是私有云private cloud）

      4. THE INTERNET OF THINGS  物联网

      5. HYBRID IT AND CLOUD COMPUTING混合云IT以及云计算

      6. STRATEGIC BIG DATA      战略性大数据

      7. ACTIONABLE ANALYTICS  实战分析工具

      8. MAINSTREAM IN-MEMORY COMPUTING (IMC)  主流在内存计算

      9. INTEGRATED ECOSYSTEMS 整合生态系统

      10. ENTERPRISE APP STORES  商用软件应用商店

      第二部分 无线传感网络技术介绍

      常见的无线网络技术：

                              图中横轴为传输范围，纵轴为传输峰值速率。

      UWB（UltraWideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。

      ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。Zigbee技术在无线传感网络中应用较为广泛。ZigBee网络中设备的可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。

      NFC是Near Field Communication缩写，即近距离无线通讯技术。由飞利浦公司和索尼公司共同开发的NFC是一种非接触式识别和互联技术。

      mesh网:

      WSN常用网络拓扑结构：无线Ad hoc网络

      对比与有线网络以及有存在特点接入点的无线网络而言, Ad Hoc网络更加适合无线传感网络的构建。Ad Hoc源于拉丁语，意思是“for this”引申为“for this purpose only”，即“为某种目的设置的，特别的”意思，即Ad hoc网络是一种有特殊用途的网络。IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络。

      Ad Hoc结构是一种去中心化的无线网络结构，即省去了无线中介设备而搭建起来的对等网络结构，只要安装了无线网卡，计算机彼此之间既可实现无线互联；其原理是网络中的一台计算机主机建立点到点连接，相当于虚拟中介设备，而其他计算机就可以直接通过这个点对点连接进行网络互联与共享。Ad hoc网络的特点非常符合无线传感网络的要求：

      l 无中心:Ad hoc网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

      l 自组织:网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

      l 多跳路由:当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，Ad hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。

      l 动态拓扑:Ad hoc网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。

      Ad-Hoc作为符合IEEE 802.11中的模式之一，作用在OSI第1层，也就是物理层。通常的有中心节点的网络中，无线网络中的所有设备都要通过中心接入节点或者路由来完成设备之间的通信。Ad-Hoc网络相当于去掉了中心节点，各个节点间通过多跳的方式进行通信，而没有了固定的拓扑结构。这样任何设备都可以直接和传输范围之内的任意节点进行通信。

      Mesh网络，也叫mesh路由选择方法，使用在OSI 第3层，也就是网络层。就是网络中的每个节点作为路由器代表其他节点重新传递数据包。Mesh网络提供了Ad-Hoc中缺少的多跳功能。通过在OSI的1层使用Ad-Hoc模式，3层使用mesh路由选择，由所有源节点构成的无线mesh网络就构架出来了。

      P2P （ Peer-to-Peer）的方式本身意味着两个节点可以无需中心服务器直接进行数据传输。Ad-Hoc和 Mesh路由选择分别可以描述层P2P在OSI中不同网络层之间节点之间的通信。

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