传感器网络与自组织网络应用潜力分析

1 无线传感器网络与Ad hoc网络的现状

1.1  无线传感器网络的现状
    无线传感器网络(WSN)是21世纪信息产业的三大支柱(计算、通信和传感器)相结合的产物，受到世界主要科技大国的高度关注，并在国家层面上制订了相关的政策和战略。

    美国非常重视WSN在军事和民用两个领域的理论与应用研究。美国科学基金会(NSF)制订了WSN研究计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部在C4ISR计划的基础上提出了C4KISR，把WSN作为一个重要研究领域。美国的很多大学、研究机构和公司都已开展了WSN研究，Crossbow、Dust Networks(tm)、Ember、Chips、Intel、Freescale等公司推出了商用WSN芯片、节点设备和解决方案。

    欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展领域之一，其中多处涉及到对WSN的研究。Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon等公司都在对WSN进行研发，已经开发了相关产品，并在相关应用领域为用户提供WSN的解决方案。

    日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会，主要目的是对其研究开发课题、标准化课题、社会的认知性、推进政策等进行探讨。NEC、OKI等公司已经推出了相关产品，并进行了一些应用试验。

    韩国信息通信部制订了信息技术“839”战略，其中“3”是指IT产业的三大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。为实现“839”战略，韩国目前采取了一些列具体措施。

    中国2010年远景规划和“十五”计划中将传感器列为重点发展的产业之一。与此同时，中国下一代互联网(CNGI)项目、国家自然基金项目都十分支持WSN研究。目前国内许多科研院所、高校及公司启动了相关研究项目。[1—3]

1.2 Ad hoc网络的现状
    自组织(Ad hoc)网络是一种由移动节点组成的临时的、多跳的、对等的自治系统。Ad hoc网络的研究最早可以追溯到20世纪70年代美国国防高级研究计划局(DARPA)资助的战场环境下分组无线网数据通信项目，随后，DARPA分别在1983年和1994年资助了SURAN和GloMo两个项目的研究。1991年成立的IEEE 802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。目前对Ad hoc网络的研究主要包括：Ad hoc网的研究、宽带无线接入系统中Ad hoc模式的研究、公众蜂窝移动通信系统的多跳增强技术。

1.3  无线传感器网络与Ad hoc网络的区别
    WSN是Ad hoc网络的一种典型应用，但WSN与传统的Ad hoc网络存在以下区别：WSN节点数量更为庞大，分布更为密集；WSN节点更容易失效，网络拓扑变化频繁；WSN主要使用广播通信机制，而Ad hoc网络是基于点对点的通信；WSN节点的动力能源、运算能力、存储器大小均受局限；WSN不必拥有全球统一标识符；WSN以数据为中心。正是由于WSN与Ad hoc网络存在以上的显著区别，导致Ad hoc网络的许多研究成果不能适用于WSN，也导致两者的应用存在着显著差别。

2 WSN与Ad hoc网络的市场需求分析
    从本质上分析，有3种主要因素推动着WSN的发展：

    (1)无线的影响：无线互连的需求在许多市场都是显而易见的，对于无线的使用已经不在限于校园、家庭、办公室等，在感应、检测和控制方面也有了一些应用，WSN适用于低数据速率的分布式网络，可以应用于远程自动化检测和控制等领域。

    (2)经济的驱动：WSN主要的经济驱动力是能减少操作成本和劳动力成本，提高效率。WSN在应用上有明显的优势。与此同时，WSN还会带来良好的社会效益，如节约办公用电子电器的耗电量、减少交通拥塞等。

    (3)技术的推动：技术的进步使得硬件成本不断降低，WSN的市场发展将得益于低价格的射频(RF)模块；微电子机械开关(MEMS)、纳米技术及多功能传感器技术有助于生产微型传感器设备，达到更低成本的产出以及更精确的感应能力；改进的电源特性最终将支持WSN持续操作，并赋予其新的应用及新的市场。

    类似地，Ad hoc网络的市场推动力也来源于上述因素。Ad hoc网络不依赖网络基础设施、易于布置、快速展开、抗毁性强的特点，使得它能满足许多应用领域的特殊需求。一般说来，Ad hoc网络适用于无法或不便预先铺设网络设施、需要快速自动组网、通信设施遭受破坏、需要分布式特性的网络通信环境等场合，也可作为生存性较强的后备网络。

3 WSN与Ad hoc网络的典型应用

3.1  WSN的典型应用
    基于传感器网络技术，使对于人或物的情况、周边环境的感知、针对不同使用者提供各种各样的服务成为可能。WSN不仅能满足人们从信息的传递及检索到信息获取的新需求，而且未来通信的主体将是机器到机器(M2M)，WSN将在很大程度上满足这一新的通信需求。日本“泛在传感器网络”调查研究会将WSN的应用分为14个领域，分别对应于“舒适、娱乐”，“安全、安心”和“最佳、高效”三大类。结合其他相关资料，本文对WSN的应用进行了归纳，如图1所示。

    (1)物流领域
    射频标识(RFID)是WSN的一个重要组成部分，RFID或强感RFID在物流、仓储、资产管理等方面的应用，对于加快商品的流通、保证商品质量起着重要的作用，也为商品零售商带来巨大的利益。通过RFID，可以跟踪商品从生产到销售的全过程，不仅可以有效避免商品的丢失，而且还得到了某类商品的销售周期和销售速度，以便及时的补充商品，减少供货不足而造成的损失。

    (2)智能交通
    WSN在智能交流领域有着很大的应用前景，通过在道路两侧安放传感器节点，构造WSN来获取交通信息，从而实现交通控制、交通诱导、紧急车辆优先、停车场信息提供、不停车收费、事故避免等智能交通的特色功能。

    (3)医疗保健
    WSN与家庭护理、远程医疗的结合，将极大的改善人们的医疗保健水平。主要的应用包括远程健康管理、重症病人或老龄人看护、生活支持设备、病理数据实时采集与管理、紧急救护等。罗彻斯特大学、Intel公司等正在进行相关的试验，北欧和波罗的海地区的运营商TeliaSonera计划推出BodyKom(tm)业务，以应用于远程医疗保健。

    (4)工业监控
    在工业上WSN主要用于对大型设备的监控，以掌握设备的运行情况或者设备所处环境的情况，从而实时掌握当前设备的工作状态，避免一些重大的安全隐患。

    (5)安全防范
    在安全领域，WSN主要用于防不正当入侵、防盗检测、危险物检测以及工业上的防范控制等。

    (6)设施监控
    WSN可以对桥梁、楼宇、水道、电气、煤气等基础设施进行在线监控，实时反映重要设施的状况。利用传感器对基础设施的损坏和劣化程度进行实时监控，不断制订最佳保护计划，以延长基础设施的寿命。在灾难发生时，利用传感器进行基础设施的安全诊断来确保使用的安全。

    (7)军事国防
    军事应用是WSN目前最重要的应用领域，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。WSN在军事方面的应用主要包括：识别并跟踪兵力、装备和物资；监视冲突区的状态，侦察敌方地形和布防；定位攻击目标；评估战场损失；侦察和探测核、生物和化学攻击等。

    (8)生态环境
    WSN为数据获取提供了便利，而且避免了传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。WSN在生态环境领域的主要应用包括：环境监测、地球观测、废弃物跟踪、能量需求的最佳化等。目前已经进行了一些实验，如NEC公司开发实现了用于监测环境的多跳传感器网络系统，Intel公司将iMote放置在海燕巢中监测气温、风力、鸟儿的活动。

    (9)防灾救灾
    在人类难以到达的场所或大范围的区域布设传感器，自动构建网络，对地震、水灾、强热带风暴等进行自动检测，发布避难指令和警告。另外，在灾害发生时，原有的基础通信设施可能被毁坏，此时利用WSN可以完成一定的通信和搜救任务。

    (10)农业食品
    WSN在农业上的应用主要是在农业生产过程中对农作物生长环境的实时监测上，进而调整生长环境以适应农作物的生长。例如在生产现场，把握土壤成分的分布、日照度、湿度，判断施肥期和收获期；对异常现象进行分析，据此把握病虫害防治和农药的喷洒时机。

3.2  Ad hoc网络的典型应用
    由于Ad hoc网络具有节点对等、多跳无中心接入、不依赖网络基础设施、抗毁性强等特点，使得它的应用领域与普通的通信网络有着非常大的区别。到目前为止，军事应用仍是Ad hoc 网络的一个主要应用领域，但是民用方面，自组和多跳的特性使其与现有的各种移动通信系统逐步融合起来，呈现了非常广泛的应用前景，如图2所示。

    (1)战地通信
    军事应用是Ad hoc网络技术的最早也是最主要的应用领域，Ad hoc网络也被认为是数字战场通信的首选技术。目前Ad hoc已经成为美军战术互联网的核心技术，美军的数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了移动Ad hoc网络技术。例如美国DAPRA资助的“自愈式雷场系统”，在特定区域布置后，这些地雷能够迅速构成移动Ad hoc网络，能够有效挫败敌方对地雷防线的突破。

    (2)应急及临时通信
    在发生了地震、水灾、强热带风暴、海啸或遭受其他灾难后，固定的通信网络设施可能被摧毁或无法正常工作。此时利用Ad hoc网络的不依赖任何固定网络设施又能快速布设的特点，迅速组建一个移动通信网络。类似地，处于边远或偏僻野外地区等缺乏固定网络设施的场合，Ad hoc网络是实现通信的最佳选择。另外Ad hoc也非常适合于展览馆、会议室、体育馆、教室、火车等需要临时通信的场合。

    (3)传感器网络
    对于很多场合来说，现场测量以及数据采集只能使用无线通信技术，此时WSN具有非常明显的优势。把传感器送到危险的环境中，这些分散在各处的传感器组成Ad hoc网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信，将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外，避免救援人员进入现场，就能收集和辨别事故信息。

    (4)无线个域网
    无线个域网(WPAN)是在相对短的距离内实现少量个人电子通信设备如PDA、手机、手提电脑等之间的无线通信而建立的网络。它具有动态组网的特点，属于一种Ad hoc网络。WPAN网络中不需要基站，也没有移动交换中心。只要两个移动结点位于一定范围内，那么它们就可以通过无线信道直接建立连接。通过这种方式，可以实现各个设备间的无线动态连接和实时信息交换。

    (5)网状无线局域网
    无线局域网(WLAN)是Ad hoc网络的主要应用领域之一。IEEE 802.11中有两种模式，基础网络模式和Ad hoc模式。在基础网络模式中，用户设备和接入点进行通信，接入点和基础网络连接。而Ad hoc模式则不需接入点，用户设备之间可以直接进行通信。Ad hoc与WLAN的结合，产生了网状WiFi网，其最大好处是利用多跳技术拓展了WLAN的覆盖范围。

    (6)蜂窝移动通信系统的多跳增强
    Ad hoc技术与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动终端的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。因此人们设想在4G中，Ad hoc网络将成为一个重要的组成部分。目前，针对在移动通信网中使用Ad hoc网络的研究工作有很多，其中比较有代表性的是集成蜂窝与自组网中继系统(iCAR)、自组织GSM(A-GSM)以及机会驱动多址接入(ODMA)等。

3.3 WSN与Ad hoc网络市场展望
    WSN应用领域非常广泛，但是无论在哪一种应用领域，WSN一般都不是作为一个单独的系统运行，这说明WSN市场最大的特点是“无单一市场、市场无处不在”。美国的相关研究表明，预计2010年前为WSN的市场发展期，市场成熟期应在2010年以后；而根据日本“泛在传感器网络”联盟的研究报告，发展期在2007年左右，2010年左右为WSN市场的成熟期。不论是根据哪种预测，到2010年全球WSN市场的整体规模都将超过1 000亿美元。尽管美国和日本的预测存在3年左右的时间差，但仍然可以得出WSN的市场已经开始启动且增长速度很快的结论。目前WSN产业已经具备基本的政策环境，得到了各国政府的政策支持，也出现有大量的市场推动者。从产业链的角度来说，WSN的产业链已经基本成型，出现了一批组件供应商、软件授权商、系统集成商和解决方案提供商，他们正在推动WSN产业从研发阶段向市场阶段转移。

    Ad hoc网络已经在多个领域展开了应用，主要以近距离、低速通信系统为主，如以RFID、WPAN、格状WiFi网(Mesh WiFi Network)、办公、家庭网络为代表的Ad hoc网络已经进入了商用化阶段。预计在未来几年内，Ad hoc网络将作为固定设施网络的一种补充，逐渐成为公众通信网络的重要组成部分。

    在未来，Ad hoc网络将很有可能对原有的移动通信网络、业务及商业运营模式产生巨大的影响，在相当大的程度上改变现有运营商的运作模式和消费者使用电信业务的模式。

4 面临的挑战
    尽管各科技大国在政策上支持WSN及Ad hoc网络的发展，无线技术和日益增长的应用需求也推动了WSN及Ad hoc网络市场的发展。但WSN及Ad hoc网络要想获得广泛的应用，依然面临许多障碍。

    (1)标准不统一
    IEEE 802.15.4、Zigbee以及IEEE 1451等相关标准的发布，无疑加速了WSN的发展，但目前并没有形成统一的WSN标准。根据美国On World Inc的研究结果，目前WSN的相关产品大多数使用专有技术。例如，Dust公司坚持使用自己的技术；Ember公司虽然大举进军ZigBee领域，但计划继续提供自己的专有EmberNet；Zensys是Zigbee联盟的发起成员之一，也向顾客提供其Z-Wave技术。标准的不统一带来了产品的互操作性问题和易用性问题，使得部分消费者对于WSN的应用一直持观望态度，这也限制了WSN市场的发展。

    针对Ad hoc网络也取得了大量的研究成果，但这些研究成果都有它特定的使用环境，对很多问题而言，寻找一个通用的解决方法是非常困难的，这也是Ad hoc网络协议至今难以标准化的原因。目前IETF已经成立了移动自组织网(MANET)工作组集中从事Ad hoc网络单播路由协议及其性能评定的研究，现已发布了一些路由草案，IETF下一步还将就如何实现多播路由以及QoS等问题展开讨论。随着研究的不断深入，3GPP和3GPP2也把Ad hoc网络作为下一步标准化的一项重要工作。

    (2)技术不成熟
    WSN综合了传感器、嵌入式计算、网络及无线通信、分布式系统等多个技术领域，面临许多技术障碍。现有的网络结构、拓朴控制、通信、路由、安全、数据融合等技术还无法保证WSN大规模使用，成本和能量也制约了WSN的应用推广。同样，针对Ad hoc网络也开展了大量的研究，在信道接入协议、路由协议、安全、广播和多播支持、QoS、网络管理、网络互联等问题上都取得了一些研究成果，但还没有形成完善的技术解决方案。

    (3)商业模式需选择
    WSN是一种新的产业，而Ad hoc网络有可能对现有电信业务的运营模式造成冲击，因此能否寻找到行之有效的商业模式对WSN及Ad hoc网络的产业化至关重要，这将是值得设备提供商、运营商及行业用户共同研究的课题。

5 结束语
    WSN和Ad hoc网络都是当前的新技术热点，它们有潜力冲击许多行业并成为我们日常生活的重要组成部份。如果将Internet比喻成人体的神经中枢系统，则WSN相当于人体的神经末梢和感觉器官，神经末梢和感觉器官是人们获取信息的主要手段，类似地，WSN与物理世界紧密相连，将成为信息社会中信息获取的基本方式。而Ad hoc提供了一种新的组网方式，能有效地扩大网络覆盖范围和信息传递的效率。正因为如此，WSN和Ad hoc网络具有巨大的应用潜力，它们与基础网络的有机结合，将能满足现有目标市场的需求，而且有可能创造出许多新的市场机会，具体非常广阔的市场前景。

    WSN和Ad hoc网络受应用需求驱动的特征非常明显，因此在对WSN和Ad hoc网络的关键技术进行研究的同时，应该重点研究具体的应用领域，结合具体的应用场景来选择合适的技术。为了加速推动WSN和Ad hoc网络的市场发展，除了寻求技术上的突破外，必须加强标准的工作，尽早实现不同厂家设备的互联互通。除此以外，创新的商业模式对WSN和Ad hoc网络的市场推动至关重要，是应该重点研究的课题。

6 参考文献

[1] ON World Inc. Wireless Sensor Networks: Mass Market Opportunities [DB/OL]. http://www.onworld.com/html/wirelesssensorsrprt2.htm.
[2] 庚志成．移动Ad hoc网络发展动态 [Z]．信息产业部电信研究院通信信息研究所, 2004, 5.
[3] 日本泛在传感器网络调查研究会．ユビキタスセンサネットワクの实现による社会的经济的效果 [DB/OL ]. http://www.soumu.go.jp/s-news/2004/pdf/040806_4_b2_6.pdf.

收稿日期：2005-05-20

[摘要] 文章介绍了无线传感器网络及自组织(Ad hoc)网络的现状，指出了无线传感器网络与Ad hoc网络的区别，并对无线传感器网络及Ad hoc网络的市场需求进行了分析；认为无线传感器网络在物流、智能交通、医疗保健、工业监控、安全、军事国防、生态环境、防灾救灾等应用领域具有极大的潜力，而Ad hoc网络在战地通信、应急及临时通信、无线个域网、网状无线局域网、蜂窝移动通信系统的多跳增强等领域可以发挥重要作用；还对两种网络进一步应用面临的主要障碍进行了说明。

[关键词] 无线传感器网络；自组织网络；市场需求；应用潜力

[Abstract] In this paper, the R status of the sensor network and the Ad hoc network is briefly introduced. The differences between them and their market demands are then analyzed. The sensor network is thought to have great application potential in the fields of logistics, intelligent transport systems, medicare, industrial monitoring, security, military and national defense, environments and disaster relief and prevention. And the Ad hoc network is thought to play an important role in communication at battlefields, emergency and temporary communication, wireless personal area network and mesh wireless local area network. Moreover, the multi-hop transfer mechanism of the Ad hoc network optimizes cellular mobile communication systems. In the end, the main obstacles to the further application of these two networks are pointed out.

[Keywords] wireless sensor network; Ad hoc network; market demand; application potential