無線傳感器網絡和網格結合關鍵問題研究

微電子學、嵌入式系統等技術的進步推動著無線傳感器網絡技術的快速發展。無線傳感器網絡現在已應用于環境和生物監測、工業監控、軍事安全監測等多個領域。通過監測區域中布置的大量傳感器節點，可以精密測量物理世界，提高應用所需真實世界數據的數量和質量，降低監控成本。無線傳感器網絡已經成為一個新的計算平臺，可以無縫銜接數字世界和物理世界；它由一系列的傳感器節點構成，每個節點都具有環境感知、數據處理和無線通信能力。傳感器節點具有電池供電、計算存儲能力有限、通信帶寬低的特點，這使其在處理和利用所得數據時受到了限制[1]。現在，具有高速計算能力、巨量存儲能力和高速通信帶寬特點的網格技術已經成為在動態虛擬社區中解決大規模分布式、異構資源共享的一個標準方式。將無線傳感器網絡和網格結合起來可以有效彌補無線傳感器網絡的足，并且有以下一些優勢：
(1)無線傳感器網絡感知到的大量數據可以利用網格處理。
網格擁有的計算資源和存儲資源可以對無線傳感器網絡收集到的大量數據進行處理、分析和存儲。
(2)一個無線傳感器網絡所得的數據可以同時被多個網格應用使用。
同一個無線傳感器網絡所得數據可以通過網格平臺同時被多個應用程序使用，傳感數據使用更加方便，數據使用率同時提高。
(3)利用網格可以得到無線傳感器網絡數據的新知識。
在網格中可以利用數據挖掘、數據融合、分布式數據庫等技術對其數據進行處理，獲得傳感數據的新知識。
1.相關工作
HourGlass[2]是一個網格和無線傳感器網絡的結合方案。HourGlass 主要由三個部分構成：數據收集網絡（DCN），傳感器接入點（SEP），應用程序接入點（AEP）。DCN 由一個互聯網互聯的系統構成，它能夠發現、過濾、查詢多個無線傳感器網絡。SEP 能夠將應用程序的數據需求映射成底層的無線傳感器網絡上的操作，或者把無線傳感器網絡上的數據路由到數據收集網絡（DCN）。 AEP 是應用程序連接到DCN 的連接系統,它將應用程序的請求映射到基于DCN 的服務上來處理。
SensorGrid[3][4]是將無線傳感器網絡和網格結合在一起構成的復合系統。 SensorGrid 采用分布式網絡結構，由傳感節點、中間層和決策制定層構成。系統主要考慮了分布式數據融合、分布式處理、網絡協同等問題，可以進行數據融合、事務監測和分類、分布式決策制定等工作。

2.無線傳感器網絡和網格結合關鍵問題

無線傳感器網絡和網格是兩個差異性很大的網絡，兩者在物理層、通信協議、應用協議等各方面都不同。無線傳感器網絡和網格在結合過程中遇到的網絡連接、擴展性、任務調度等問題需要利用本文提出的結合框架來解決。
(1)不同網絡連接問題
無線傳感器網絡中傳感器節點之間的互聯是通過低帶寬、高延遲和不可靠的無線網絡，傳感器節點之間的無線連接會由于環境噪音和信號衰減的影響造成無線通信中斷；網格中各種設備的互聯是通過快速和可靠的有線網絡。在結合框架中，需要解決傳感器節點無線通信中不可預期的網絡中斷和通信延遲問題。
(2)無線傳感器網絡和網格的協議映射
網格通信中使用的是標準的Internet協議，比如TCP/IP、HTTP等。無線傳感器網絡通信通常使用私有協議，尤其MAC協議和無線路由協議大多都是私有協議。由于傳感器節點的計算和存儲能力有限，沒有能力使用Internet協議，在結合框架中就需要將網格中使用的網絡通信協議有效地映射到無線傳感器網絡的節點中。
另外，網格的OGSA標準是基于Web Service的，它使用了XML、SOAP和WSDL等技術。讓傳感器節點將傳感數據打包成XML格式并發布為網格服務是不現實的，需要結合框架將傳感數據映射為網格服務。
(3)可擴展性
結合框架需要在不改變整體結構的前提下將無線傳感器網絡動態加入到網格中。它要能夠同時連接多個無線傳感器網絡，并可以容易地和網格的計算、存儲資源進行集成，這樣才可以使用戶透明地使用多個無線傳感器網絡。
(4)能量管理
傳感器節點使用電池供電并且通常電量不可補充，能量管理是無線傳感器網絡中一個非常重要問題。從結合框架角度來看，傳感器節點的可用性不僅取決于它們當前的負載狀態，同樣也取決于它們的能量剩余。結合框架應該能夠提供適應性的能量管理服務，這樣可以使使用無線傳感器網絡的應用程序在傳感器節點操作和電量使用上找到平衡點。
(5)任務調度
無線傳感器網絡中傳感器節點的任務調度要考慮能量消耗和可用傳感器資源。同時，無線傳感器網絡是以數據為中心的網絡，在進行任務調度時，有效地利用傳感器收集到的傳感數據也是非常重要的一項工作。在結合框架中同時存在多個無線傳感器網絡時，要求調度過程能夠充分利用多種類型的數據。
(6)系統安全無線傳感器網絡所感知到的數據往往都是非常重要而且要求保密的，不允許任何數據的竊取和惡意修改。網格資源也要求經過認證的個人和服務提供者才能夠訪問。在網格中，通過認證和授權機制來確保訪問者的合法身份，實現網格資源的安全訪問。無線傳感器網絡通過使用節點認證、傳感數據加密、安全MAC協議等方式來保證節電和傳感數據的有效安全。結合框架為了同時保證網格和無線傳感器網絡的安全，需要將網格安全技術和無線傳感器網絡安全技術有機結合起來，確保整個系統的安全。
(7)健壯性
傳感器節點使用電池供電、使用不可靠的無線通信網絡通信，很有可能會造成運行在傳感器節點上的傳感任務失敗。為了防止傳感器節點上的傳感任務失敗，結合框架應該支持任務的復制和遷移。這樣，如果部分傳感器節點失效，傳感任務也可以很快由失效傳感節點遷移到正常節點。如果有足夠的傳感資源，傳感任務也可以復制。這樣，部分節點的失效不會影響到整個傳感任務的執行。最后，如果傳感任務被打斷，在系統恢復后，傳感任務應該能夠從打斷的地方重新開始。(8)服務質量
服務質量可以決定系統是否能夠提供有效的傳感資源和服務。通過QoS參數可以規定網格傳感任務所使用的傳感器節點、存儲空間、通信帶寬、消耗電量等指標。通過這些指標的使用，可以增加傳感任務的健壯性，避免節點失效和通信中斷的影響。結合框架要滿足不同QoS的需求，將從高層規定的QoS需求映射為底層的QoS參數。在傳感任務需要多個不同的傳感器資源時，為了達到要求的QoS，需要對傳感資源進行預留。
3.無線傳感器網絡和網格結合框架
無線傳感器網絡和網格結合框架可以使多個無線傳感器網絡接入網格，提供統一的網格服務。該框架主要有三層構成：無線傳感器網絡接入層、任務管理層和服務管理層。整個系統框架如圖1 所示。

(1) 無線傳感器網絡接入層：該層的主要作用是多個無線傳感器網絡的無縫接入，對無線傳感器網絡進行抽象，使上層看到一致的數據層。該層主要完成網絡協議轉換、網格API映射、多無線傳感器網絡接入、安全保證和任務健壯性等任務。
(2) 任務管理層：該層的主要作用是多數據融合任務的合理調度。該層主要完成數據處理任務的合理分配和多傳感任務的合理調度等任務。
(3) 服務管理層：該層的主要作用是無線傳感器網絡的管理和無線傳感器網絡服務的形成和管理。該層主要完成無線傳感器網絡能量管理和服務質量控制等任務。
4.結論
無線傳感器網絡和網格結合可以有效地彌補傳感器節電數據處理能力不足的問題。本文提出了一個結合框架來實現無線傳感器網絡和網格結合，并論述了結合過程中需要解決的關鍵問題。利用結合框架，可以有效解決網絡互聯、任務調度等問題，使無線傳感器網絡和網格無縫集成，增加傳感數據的處理能力。但是，現在的結合框架存在一些不足，比如沒有考慮對移動傳感器節點的特殊處理，無法改進對傳感節點的調度方法等，這也是以后需要改進的地方。本文作者創新點：
本文提出了解決無線傳感器網絡和網格結合的結合框架，并分析了在構建結合框架過程中面臨的問題和解決思路。利用結合框架，可以有效解決網絡互聯、任務調度等問題，使無線傳感器網絡和網格無縫集成，增加傳感數據的處理能力。