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突破自組織傳感網大規模應用壁壘
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�！备拍钜呀浌诒娏�，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、自我協同的智能化網絡系統，是近十年內取得的巨大進步。在“智慧塵�！敝螅瑹o線傳感網的概念迅速拓展到民用當中。在一個無線傳感網中，大量的傳感器等微型化計算設備通過無線多跳網絡自組織的聯接在一起，完成持續環境監控和大規模數據采集的任務，填補計算世界里數據來源這個木桶短邊。
傳感網怎么了？
世界范圍內都有無線傳感網的應用，加州大學伯克利分校的大鴨島動物監測與紅木監測、哈佛的火山遙感、麻省理工的河流監控，進一步推動了自組織傳感網領域研究的熱潮。國內外研究取得了顯著進展，無線傳感網應用延伸至眾多領域，包括軍事、工業控制、環境觀測、生態安全、數字生活、交通監控。但是，綜觀國際上比較有代表性的無線傳感網系統（表1），不難看出，當前實際系統可達的規模和運轉壽命，與當初無線傳感網被提出時的目標相去甚遠。我們曾經設想的傳感網，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模下的系統；而簡單殘酷的事實是，且不論真實系統，連演示系統都停留在“百”這個量級上；網絡存活的時間，更是短得看不到優勢。我們不得不思考一下，大規模長期部署的無線傳感網系統到底面臨什么挑戰？
說到這里，明眼的讀者可能會立刻問我一個尖銳的問題：什么是大規模？因特網上億節點，手機網也是上億的節點，從廣義上說都可算是傳感網，到了你這里怎么“千”就成了大規模了？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的比喻試著說說。在自組織網絡里，沒有中心節點，通信又是多跳的，國際上認為幾百個就是大規模了。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，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（類似單跳無線網絡如移動手機網的情形），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出他們直接聽得見的號令，只能發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
為了探尋大規模自組織網的挑戰的根源和解決方案，我們發起了“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境，部署超過一千個節點的無線傳感網系統，連續運轉一年以上。
為什么選擇了林業為應用背景呢？一方面，林業在可持續發展戰略中占據重要地位，在生態建設中居于首要地位，在西部大開發中也意義重大，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——發展林業是應對全球氣候變化的戰略選擇。
另一方面，林業應用是在森林這個復雜系統的背景下展開的，森林物種繁多、類型多樣、分布地域廣闊、生長周期長，林業應用在時間上要求同步、持續性，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，是一個有效的解決林業應用瓶頸的可行方案。
無線傳感網與林業應用相結合，林業給予無線傳感網技術足夠強大的應用驅動力，而無線傳感網的先進技術能給林業學科在研究方法和思維方式層面帶來變革�；谶@兩點考慮，我們選擇了林業作為著眼點。
綠野千傳的系統研發工作始于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個節點的原型系統，到2009年10月，原型系統擴充至330個點，至今已經運轉超過11個月（http://greenorbs.org/）。2009年8月，項目組在浙江省天目山脈實現了一個超過200個節點的實用系統，該系統至今已經連續運轉超過8個月。
為什么我們不一下子推到1000個節點呢？實際上，算上我們在浙江農林大學其他幾個實驗點部署的小型系統，總的節點數早已經超過1000，通過Internet，它們之間的數據都是互聯互通的；而我們前前后后制造和測試的節點，已經超過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據，也可以被認為是一個系統，但是我們這里追求的，是要在一個sink控制范圍內的1000節點。
突破壁壘 直面三大挑戰
通過一年多以來的觀察和對系統收集的大量傳感網數據的分析，我們對當前無線傳感網突破大規模應用壁壘面臨的根本挑戰有了一點認識。我們總結為3個主要方面。
首先，無線傳感網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，但這類數據量大，且經常要求實時傳輸，要通過帶寬非常有限的無線多跳網絡傳送，難度很高。另一方面，不同應用需要各種各樣的傳感器數據，比如在林業應用中，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。這類數據量小，較易于傳輸，但現實的難題是，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：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絡傳輸帶寬瓶頸、設計與優化路由協議以提升可靠性和網絡吞吐率，以及多模態數據融合和非確定性數據處理、異構傳感網的體系結構和數據管理等等。我們把這個壁壘，稱作“傳感失諧”。
其次，是網絡管理方面的困難。與傳統企業網絡和因特網的節點多數在室內的環境相比，無線傳感器節點經常在惡劣環境當中，風吹日曬、雪打雨淋。同時傳感器節點的通信和計算資源極端有限，傳統網絡上類似SNMP類型的Agent匯報機制無法有效支持。更為嚴峻的是，傳統網絡即使斷了，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出了故障；而在傳感網這里，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”。
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，忽略了無線傳感網運行過程中伴隨的各種不確定物理因素和可能的環境動態性。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。由此產生的研究成果，當系統規模小的時候還不明顯，一旦規模大了，立刻顯現出巨大的反差，無法直接應用于指導和仿真實用系統。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，大多數日常物體都被連在網絡上了，物理的Instrumented、互聯的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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