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突破自組織傳感網(wǎng)大規(guī)模應用壁壘
1998年，我參加工作時間不長，被作為臨時翻譯派到紐約，坐在賣煙草晉身的IBM總裁郭士納一尺遠的地方聽他說理想中的E-service概念。那時我還不知道后來異常有名的“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將因為所謂的15年周期定律被我們頻頻說起。大家抽空用中文悄悄交換著剛聽到的傳奇般的雅虎和免費的Email空間，真正在聽郭士納滔滔不絕的，其實只有我這個翻譯。
我在第一次走進五星飯店洗手間的時候，知道了傳感器原來離我這么近。其實傳感器的開發(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)絡系統(tǒng)，是近十年內(nèi)取得的巨大進步。在“智慧塵�！敝�，無線傳感網(wǎng)的概念迅速拓展到民用當中。在一個無線傳感網(wǎng)中，大量的傳感器等微型化計算設備通過無線多跳網(wǎng)絡自組織的聯(lián)接在一起，完成持續(xù)環(huán)境監(jiān)控和大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的任務，填補計算世界里數(shù)據(jù)來源這個木桶短邊。
傳感網(wǎng)怎么了？
世界范圍內(nèi)都有無線傳感網(wǎng)的應用，加州大學伯克利分校的大鴨島動物監(jiān)測與紅木監(jiān)測、哈佛的火山遙感、麻省理工的河流監(jiān)控，進一步推動了自組織傳感網(wǎng)領域研究的熱潮。國內(nèi)外研究取得了顯著進展，無線傳感網(wǎng)應用延伸至眾多領域，包括軍事、工業(yè)控制、環(huán)境觀測、生態(tài)安全、數(shù)字生活、交通監(jiān)控。但是，綜觀國際上比較有代表性的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)（表1），不難看出，當前實際系統(tǒng)可達的規(guī)模和運轉壽命，與當初無線傳感網(wǎng)被提出時的目標相去甚遠。我們曾經(jīng)設想的傳感網(wǎng)，都是成千上萬的點，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(guī)模下的系統(tǒng)；而簡單殘酷的事實是，且不論真實系統(tǒng)，連演示系統(tǒng)都停留在“百”這個量級上；網(wǎng)絡存活的時間，更是短得看不到優(yōu)勢。我們不得不思考一下，大規(guī)模長期部署的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)到底面臨什么挑戰(zhàn)？
說到這里，明眼的讀者可能會立刻問我一個尖銳的問題：什么是大規(guī)模？因特網(wǎng)上億節(jié)點，手機網(wǎng)也是上億的節(jié)點，從廣義上說都可算是傳感網(wǎng)，到了你這里怎么“千”就成了大規(guī)模了？原來的方法就不好用了？
這是個非常好的問題，也非常難以用幾句話說到點子上，我用一個也許不大恰當?shù)谋扔髟囍f說。在自組織網(wǎng)絡里，沒有中心節(jié)點，通信又是多跳的，國際上認為幾百個就是大規(guī)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，幾萬人跳整齊了也不算太大的事。如果事先沒有演練，而是由某個人來指揮，而大家都能直接聽得見他的號令（類似單跳無線網(wǎng)絡如移動手機網(wǎng)的情形），跳整齊了也不是多難的事。然而，事先沒有演練，而指揮人不能同時給所有人發(fā)出他們直接聽得見的號令，只能發(fā)給身邊的幾個人再慢慢一個個傳開，臨時碰上各種情況大家還要商量著來，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(guī)模自組織網(wǎng)的挑戰(zhàn)的根源和解決方案，我們發(fā)起了“綠野千傳”項目。當時提出了3個1的決心，即在一個野外的真實環(huán)境，部署超過一千個節(jié)點的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，連續(xù)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(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位，在生態(tài)建設中居于首要地位，在西部大開發(fā)中也意義重大，在應對全球氣候變化中，更是種戰(zhàn)略選擇。2007年9月8日，“森林方案”，強調(diào)通過森林恢復和增長，增加碳匯，減緩氣候變化；2009年9月22日在紐約G20氣候變化峰會上，他提出用“森林碳匯”來減緩氣候變化——發(fā)展林業(yè)是應對全球氣候變化的戰(zhàn)略選擇。
另一方面，林業(yè)應用是在森林這個復雜系統(tǒng)的背景下展開的，森林物種繁多、類型多樣、分布地域廣闊、生長周期長，林業(yè)應用在時間上要求同步、持續(xù)性，在空間上要求范圍廣、測點多，還要求維持較低的人力和設備成本；林學已有的技術和方法難以滿足上述條件，遭遇精確描述刻畫系統(tǒng)結構與功能的難度大的瓶頸。就拿碳匯來說，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(nèi)也不能算有非常準的測量。因此，探尋新技術新方法勢在必行。無線傳感網(wǎng)低功耗、智能化自組織、大規(guī)模持續(xù)同步監(jiān)測、低成本的諸多特點，是一個有效的解決林業(yè)應用瓶頸的可行方案。
無線傳感網(wǎng)與林業(yè)應用相結合，林業(yè)給予無線傳感網(wǎng)技術足夠強大的應用驅動力，而無線傳感網(wǎng)的先進技術能給林業(yè)學科在研究方法和思維方式層面帶來變革�；谶@兩點考慮，我們選擇了林業(yè)作為著眼點。
綠野千傳的系統(tǒng)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，還包括浙江農(nóng)林大學周國模教授、西安交大趙季中教授、杭州電子科大戴國駿教授、美國IIT李向陽教授、清華大學顧明教授、北京郵電大學馬華東教授、哈工大李建中教授、同濟大學蔣昌駿教授等。此外，這個項目還得到了自然基金委、科技部、國家林業(yè)局等單位專家直接或者間接的指導。2009年5月，項目組成功部署了一個120個節(jié)點的原型系統(tǒng)，到2009年10月，原型系統(tǒng)擴充至330個點，至今已經(jīng)運轉超過11個月（http://greenorbs.org/）。2009年8月，項目組在浙江省天目山脈實現(xiàn)了一個超過200個節(jié)點的實用系統(tǒng)，該系統(tǒng)至今已經(jīng)連續(xù)運轉超過8個月。
為什么我們不一下子推到1000個節(jié)點呢？實際上，算上我們在浙江農(nóng)林大學其他幾個實驗點部署的小型系統(tǒng)，總的節(jié)點數(shù)早已經(jīng)超過1000，通過Internet，它們之間的數(shù)據(jù)都是互聯(lián)互通的；而我們前前后后制造和測試的節(jié)點，已經(jīng)超過2000個。但這還不是我們心目中真正的“千傳”。雖然通過Sink和Internet，它們之間可以交換數(shù)據(jù)，也可以被認為是一個系統(tǒng)，但是我們這里追求的，是要在一個sink控制范圍內(nèi)的1000節(jié)點。
突破壁壘 直面三大挑戰(zhàn)
通過一年多以來的觀察和對系統(tǒng)收集的大量傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析，我們對當前無線傳感網(wǎng)突破大規(guī)模應用壁壘面臨的根本挑戰(zhàn)有了一點認識。我們總結為3個主要方面。
首先，無線傳感網(wǎng)傳輸和感知兩大功能不匹配。主要表現(xiàn)為兩種形式：一方面，圖像、聲音、視頻等數(shù)據(jù)可以利用對應的圖像和聲音傳感器直接獲取，但這類數(shù)據(jù)量大，且經(jīng)常要求實時傳輸，要通過帶寬非常有限的無線多跳網(wǎng)絡傳送，難度很高。另一方面，不同應用需要各種各樣的傳感器數(shù)據(jù)，比如在林業(yè)應用中，二氧化碳含量和光譜數(shù)據(jù)具有廣泛用途，地震波強度數(shù)據(jù)在防災減災中意義重大。這類數(shù)據(jù)量小，較易于傳輸，但現(xiàn)實的難題是，可以提供這些數(shù)據(jù)且適用于大規(guī)模部署的低成本傳感器尚未成熟。直白地說：就是易感不易傳、易傳不易感。這個根本矛盾，直接導致無線傳感網(wǎng)無法滿足真實應用領域的感知需求。要解決這個矛盾，有若干關鍵問題亟待研究，包括設計高性能低功耗傳感器以突破網(wǎng)絡傳輸帶寬瓶頸、設計與優(yōu)化路由協(xié)議以提升可靠性和網(wǎng)絡吞吐率，以及多模態(tài)數(shù)據(jù)融合和非確定性數(shù)據(jù)處理、異構傳感網(wǎng)的體系結構和數(shù)據(jù)管理等等。我們把這個壁壘，稱作“傳感失諧”。
其次，是網(wǎng)絡管理方面的困難。與傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)絡和因特網(wǎng)的節(jié)點多數(shù)在室內(nèi)的環(huán)境相比，無線傳感器節(jié)點經(jīng)常在惡劣環(huán)境當中，風吹日曬、雪打雨淋。同時傳感器節(jié)點的通信和計算資源極端有限，傳統(tǒng)網(wǎng)絡上類似SNMP類型的Agent匯報機制無法有效支持。更為嚴峻的是，傳統(tǒng)網(wǎng)絡即使斷了，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(tǒng)出了故障；而在傳感網(wǎng)這里，斷了就是斷了，很難找到問題根源，給修復帶來巨大困擾。我們把這個困難稱為“診判失據(jù)”。
第三，大多數(shù)現(xiàn)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，忽略了無線傳感網(wǎng)運行過程中伴隨的各種不確定物理因素和可能的環(huán)境動態(tài)性。例如，定位算法大多基于規(guī)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，但實際上連拓撲邊的存在與否都要依賴于對link評估方式的定義。由此產(chǎn)生的研究成果，當系統(tǒng)規(guī)模小的時候還不明顯，一旦規(guī)模大了，立刻顯現(xiàn)出巨大的反差，無法直接應用于指導和仿真實用系統(tǒng)。我們稱為“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)的實際應用到底還有多遠。但是，不要緊，我們拍拍腦門想一想，如果把時間軸稍微拉得寬一點，很容易想到在不太遠的未來，大多數(shù)日常物體都被連在網(wǎng)絡上了，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？這樣說來，我們今天做的探索，無論離正確還有多遠，都在朝著未來走去。
1970年，我爺爺60歲，早晨出門碰上大隊書記，聽見他口袋里竟然有人唱戲，驚訝而好奇，莫名其妙地跟了一路，忘了自己是撿糞來的；1990年，我20歲，拿到人生第一個可以錄放的隨身聽，在沒有暖氣的初冬攢縮在學生宿舍被窩里手舞足蹈，任憑音樂響到凌晨斷電，捂著吵得半聾的耳朵奔去食堂；2010年，我女兒5歲，在家里畫畫，順手拿過桌上的iTouch, 在Internet上搜到No Body But You，唱著畫著，怡然自得。
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