無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合關(guān)鍵問題研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合關(guān)鍵問題研究

微電子學(xué)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)步推動著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已應(yīng)用于環(huán)境和生物監(jiān)測、工業(yè)監(jiān)控、軍事安全監(jiān)測等多個領(lǐng)域。通過監(jiān)測區(qū)域中布置的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，可以精密測量物理世界，提高應(yīng)用所需真實(shí)世界數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量，降低監(jiān)控成本。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個新的計(jì)算平臺，可以無縫銜接數(shù)字世界和物理世界；它由一系列的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個節(jié)點(diǎn)都具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力。傳感器節(jié)點(diǎn)具有電池供電、計(jì)算存儲能力有限、通信帶寬低的特點(diǎn)，這使其在處理和利用所得數(shù)據(jù)時受到了限制[1]。現(xiàn)在，具有高速計(jì)算能力、巨量存儲能力和高速通信帶寬特點(diǎn)的網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)成為在動態(tài)虛擬社區(qū)中解決大規(guī)模分布式、異構(gòu)資源共享的一個標(biāo)準(zhǔn)方式。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合起來可以有效彌補(bǔ)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的足，并且有以下一些優(yōu)勢：
(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知到的大量數(shù)據(jù)可以利用網(wǎng)格處理。
網(wǎng)格擁有的計(jì)算資源和存儲資源可以對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和存儲。
(2)一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所得的數(shù)據(jù)可以同時被多個網(wǎng)格應(yīng)用使用。
同一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所得數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)格平臺同時被多個應(yīng)用程序使用，傳感數(shù)據(jù)使用更加方便，數(shù)據(jù)使用率同時提高。
(3)利用網(wǎng)格可以得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的新知識。
在網(wǎng)格中可以利用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、分布式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得傳感數(shù)據(jù)的新知識。
1.相關(guān)工作
HourGlass[2]是一個網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合方案。HourGlass 主要由三個部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)（DCN），傳感器接入點(diǎn)（SEP），應(yīng)用程序接入點(diǎn)（AEP）。DCN 由一個互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)構(gòu)成，它能夠發(fā)現(xiàn)、過濾、查詢多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。SEP 能夠?qū)?yīng)用程序的數(shù)據(jù)需求映射成底層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的操作，或者把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)路由到數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)（DCN）。 AEP 是應(yīng)用程序連接到DCN 的連接系統(tǒng),它將應(yīng)用程序的請求映射到基于DCN 的服務(wù)上來處理。
SensorGrid[3][4]是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合在一起構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)。 SensorGrid 采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由傳感節(jié)點(diǎn)、中間層和決策制定層構(gòu)成。系統(tǒng)主要考慮了分布式數(shù)據(jù)融合、分布式處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等問題，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、事務(wù)監(jiān)測和分類、分布式?jīng)Q策制定等工作。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合關(guān)鍵問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格是兩個差異性很大的網(wǎng)絡(luò)，兩者在物理層、通信協(xié)議、應(yīng)用協(xié)議等各方面都不同。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格在結(jié)合過程中遇到的網(wǎng)絡(luò)連接、擴(kuò)展性、任務(wù)調(diào)度等問題需要利用本文提出的結(jié)合框架來解決。
(1)不同網(wǎng)絡(luò)連接問題
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)是通過低帶寬、高延遲和不可靠的無線網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線連接會由于環(huán)境噪音和信號衰減的影響造成無線通信中斷；網(wǎng)格中各種設(shè)備的互聯(lián)是通過快速和可靠的有線網(wǎng)絡(luò)。在結(jié)合框架中，需要解決傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信中不可預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)中斷和通信延遲問題。
(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格的協(xié)議映射
網(wǎng)格通信中使用的是標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議，比如TCP/IP、HTTP等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信通常使用私有協(xié)議，尤其MAC協(xié)議和無線路由協(xié)議大多都是私有協(xié)議。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲能力有限，沒有能力使用Internet協(xié)議，在結(jié)合框架中就需要將網(wǎng)格中使用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議有效地映射到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)中。
另外，網(wǎng)格的OGSA標(biāo)準(zhǔn)是基于Web Service的，它使用了XML、SOAP和WSDL等技術(shù)。讓傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感數(shù)據(jù)打包成XML格式并發(fā)布為網(wǎng)格服務(wù)是不現(xiàn)實(shí)的，需要結(jié)合框架將傳感數(shù)據(jù)映射為網(wǎng)格服務(wù)。
(3)可擴(kuò)展性
結(jié)合框架需要在不改變整體結(jié)構(gòu)的前提下將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)加入到網(wǎng)格中。它要能夠同時連接多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可以容易地和網(wǎng)格的計(jì)算、存儲資源進(jìn)行集成，這樣才可以使用戶透明地使用多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
(4)能量管理
傳感器節(jié)點(diǎn)使用電池供電并且通常電量不可補(bǔ)充，能量管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個非常重要問題。從結(jié)合框架角度來看，傳感器節(jié)點(diǎn)的可用性不僅取決于它們當(dāng)前的負(fù)載狀態(tài)，同樣也取決于它們的能量剩余。結(jié)合框架應(yīng)該能夠提供適應(yīng)性的能量管理服務(wù)，這樣可以使使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序在傳感器節(jié)點(diǎn)操作和電量使用上找到平衡點(diǎn)。
(5)任務(wù)調(diào)度
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)調(diào)度要考慮能量消耗和可用傳感器資源。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，有效地利用傳感器收集到的傳感數(shù)據(jù)也是非常重要的一項(xiàng)工作。在結(jié)合框架中同時存在多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，要求調(diào)度過程能夠充分利用多種類型的數(shù)據(jù)。
(6)系統(tǒng)安全無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知到的數(shù)據(jù)往往都是非常重要而且要求保密的，不允許任何數(shù)據(jù)的竊取和惡意修改。網(wǎng)格資源也要求經(jīng)過認(rèn)證的個人和服務(wù)提供者才能夠訪問。在網(wǎng)格中，通過認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制來確保訪問者的合法身份，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格資源的安全訪問。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過使用節(jié)點(diǎn)認(rèn)證、傳感數(shù)據(jù)加密、安全MAC協(xié)議等方式來保證節(jié)電和傳感數(shù)據(jù)的有效安全。結(jié)合框架為了同時保證網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全，需要將網(wǎng)格安全技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，確保整個系統(tǒng)的安全。
(7)健壯性
傳感器節(jié)點(diǎn)使用電池供電、使用不可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)通信，很有可能會造成運(yùn)行在傳感器節(jié)點(diǎn)上的傳感任務(wù)失敗。為了防止傳感器節(jié)點(diǎn)上的傳感任務(wù)失敗，結(jié)合框架應(yīng)該支持任務(wù)的復(fù)制和遷移。這樣，如果部分傳感器節(jié)點(diǎn)失效，傳感任務(wù)也可以很快由失效傳感節(jié)點(diǎn)遷移到正常節(jié)點(diǎn)。如果有足夠的傳感資源，傳感任務(wù)也可以復(fù)制。這樣，部分節(jié)點(diǎn)的失效不會影響到整個傳感任務(wù)的執(zhí)行。最后，如果傳感任務(wù)被打斷，在系統(tǒng)恢復(fù)后，傳感任務(wù)應(yīng)該能夠從打斷的地方重新開始。(8)服務(wù)質(zhì)量
服務(wù)質(zhì)量可以決定系統(tǒng)是否能夠提供有效的傳感資源和服務(wù)。通過QoS參數(shù)可以規(guī)定網(wǎng)格傳感任務(wù)所使用的傳感器節(jié)點(diǎn)、存儲空間、通信帶寬、消耗電量等指標(biāo)。通過這些指標(biāo)的使用，可以增加傳感任務(wù)的健壯性，避免節(jié)點(diǎn)失效和通信中斷的影響。結(jié)合框架要滿足不同QoS的需求，將從高層規(guī)定的QoS需求映射為底層的QoS參數(shù)。在傳感任務(wù)需要多個不同的傳感器資源時，為了達(dá)到要求的QoS，需要對傳感資源進(jìn)行預(yù)留。
3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架可以使多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)格，提供統(tǒng)一的網(wǎng)格服務(wù)。該框架主要有三層構(gòu)成：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入層、任務(wù)管理層和服務(wù)管理層。整個系統(tǒng)框架如圖1 所示。

(1) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入層：該層的主要作用是多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫接入，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，使上層看到一致的數(shù)據(jù)層。該層主要完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格API映射、多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入、安全保證和任務(wù)健壯性等任務(wù)。
(2) 任務(wù)管理層：該層的主要作用是多數(shù)據(jù)融合任務(wù)的合理調(diào)度。該層主要完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)的合理分配和多傳感任務(wù)的合理調(diào)度等任務(wù)。
(3) 服務(wù)管理層：該層的主要作用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形成和管理。該層主要完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理和服務(wù)質(zhì)量控制等任務(wù)。
4.結(jié)論
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合可以有效地彌補(bǔ)傳感器節(jié)電數(shù)據(jù)處理能力不足的問題。本文提出了一個結(jié)合框架來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合，并論述了結(jié)合過程中需要解決的關(guān)鍵問題。利用結(jié)合框架，可以有效解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、任務(wù)調(diào)度等問題，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格無縫集成，增加傳感數(shù)據(jù)的處理能力。但是，現(xiàn)在的結(jié)合框架存在一些不足，比如沒有考慮對移動傳感器節(jié)點(diǎn)的特殊處理，無法改進(jìn)對傳感節(jié)點(diǎn)的調(diào)度方法等，這也是以后需要改進(jìn)的地方。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
本文提出了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合的結(jié)合框架，并分析了在構(gòu)建結(jié)合框架過程中面臨的問題和解決思路。利用結(jié)合框架，可以有效解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、任務(wù)調(diào)度等問題，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格無縫集成，增加傳感數(shù)據(jù)的處理能力。