【正文】 用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。(3)動態(tài)性傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點，具有多學(xué)科交叉性，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究。RBS機制是基于接收者接收者的時鐘同步；TINY/MINISYNC是簡單的輕量級的同步機制； TPSN采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步。在面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。由于建筑物不修補，可能會存在一些安全隱患。網(wǎng)格調(diào)度主要由網(wǎng)格應(yīng)用層完成。由于網(wǎng)格沒有集中控制能力，因此，對于這種動態(tài)性,需要有一種機制來保障網(wǎng)格應(yīng)用的運行不會遭受比客戶端應(yīng)用層 負責(zé)應(yīng)用程序提交消息層 信包組裝與分析數(shù)據(jù)層 數(shù)據(jù)壓縮/解壓、加密/解壓，格式轉(zhuǎn)換應(yīng)用層 負責(zé)應(yīng)用程序提交消息層 信包組裝與分析數(shù)據(jù)層 數(shù)據(jù)壓縮/解壓、加密/解壓，格式轉(zhuǎn)換服務(wù)端圖 31 網(wǎng)格系統(tǒng)的消息通信模型傳輸層(TCP/IP、UDP/IP)北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 16 頁較大的影響。(3)網(wǎng)格打破了傳統(tǒng)的共享和協(xié)作方面的限制。該結(jié)構(gòu)側(cè)重于定性的描述而不是具體的協(xié)議定義，這有助于從整體上理解計算網(wǎng)格。應(yīng)用程序通過各層的API調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，再通過服務(wù)調(diào)用網(wǎng)格上的資源來完成任務(wù)。管理網(wǎng)格資源管理中涉及的第一個問題是資源的發(fā)布北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 21 頁與發(fā)現(xiàn)。分布式儀器系統(tǒng)(Distributed Instrumentation System)是指用網(wǎng)格管理分布在各地的貴重儀器系統(tǒng)，提供遠程訪問儀器設(shè)備的手段，提高儀器的利用率，大大方便用戶的使用。其中，組節(jié)點數(shù)據(jù)融合主要完成包含在該組內(nèi)所有節(jié)點數(shù)據(jù)的融合，然后將結(jié)果直接送到中心節(jié)點進行處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信通常使用私有協(xié)議，尤其是 MAC 協(xié)議和無線路由協(xié)議。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)。通過這些指標的使用,可以增加傳感任務(wù)的健壯性,避免節(jié)點失效和通信中斷的影響。同時，由于組節(jié)點接收到的都是很小范圍內(nèi)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，故可以在組節(jié)點上設(shè)置數(shù)據(jù)融合功能，利用數(shù)據(jù)融合將相鄰節(jié)點上感知的冗余數(shù)據(jù)消除，減少組節(jié)點再次數(shù)據(jù)傳輸時的能量消耗和帶寬占有。北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 29 頁2. 網(wǎng)格層結(jié)合框架的網(wǎng)格層主要的任務(wù)是得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并進一步進行處理。結(jié)合框架無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)融合工作由組節(jié)點完成。(3)結(jié)合框架的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)格應(yīng)用網(wǎng)格索引服務(wù) 任務(wù)調(diào)度服務(wù)服務(wù)管理層任務(wù)管理層網(wǎng)格軟件基礎(chǔ)設(shè)施 數(shù)據(jù)接入層網(wǎng)格硬件 WSN 硬件圖 42 結(jié)合框架網(wǎng)格層結(jié)構(gòu)北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 30 頁無線傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)是將所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點的一個數(shù)據(jù)通道。第二層是組節(jié)點層。如果希望傳感器網(wǎng)格為應(yīng)用提供最好的可能的 QoS，資源可獲得性、網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)帶寬和時延的變化都是必需考慮的。(7)可靠性傳感器節(jié)點使用電池供電，使用不可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)通信，很有可能會造成傳感器節(jié)點上的傳感任務(wù)失敗。它要能夠同時連接多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而一個新的傳感器網(wǎng)絡(luò)的加入過程應(yīng)盡可能簡單，并可以容易地和網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)。在大多數(shù)應(yīng)用當中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是作為數(shù)據(jù)源來使用的。遠程沉浸(Teleimmersion)是一種特殊的網(wǎng)格化虛擬現(xiàn)實環(huán)境。第四是資源的訪問與服務(wù)。此外，還有Web服務(wù)網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，它是 Web服務(wù)網(wǎng)格代表商業(yè)應(yīng)用的 Web服務(wù)技術(shù)與面向科學(xué)和工程領(lǐng)域的網(wǎng)格技術(shù)的相互融合。圖33是對網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的簡單描述 [12]。它的功能是向上提供網(wǎng)格中可供共享的資源。網(wǎng)格也應(yīng)該能夠保證提供持續(xù)、穩(wěn)定的計算能力，還應(yīng)該滿足各種形式的安全要求，比如數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用?、?quán)限的認證、避免非法入侵和非法使用等。(1)網(wǎng)格突破了計算能力的限制。以層次通信模型為例，在計算網(wǎng)格中，由于節(jié)點的分布性、異構(gòu)性，要求提供高效可靠的信息傳遞機制來支持節(jié)點間的通信。北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 14 頁第 3 章 網(wǎng)格技術(shù)概述 網(wǎng)格概念、特點 網(wǎng)格的概念網(wǎng)格是一種新興的技術(shù)，正處在不斷發(fā)展和變化當中。(1)軍事應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性等特點，因此非常適合在軍事上應(yīng)用。由于傳感器節(jié)點的易失效性，傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進行綜合，提高信息的準確度。同時，隨傳感器拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。(5)應(yīng)用相關(guān)性傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。 (3)計算和存儲能力有限。(4)通信能力有限。ADC 將傳感器根據(jù)其觀測到的物理現(xiàn)象而生成的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將其送給處理單元。若想獲取真實世界的自然信息，必須依靠大量分布的傳感器。各國都非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。從成熟的產(chǎn)業(yè)中發(fā)展原始性創(chuàng)新存在很大的難度，而在一個新的技術(shù)領(lǐng)域中掌握和擁有核心技術(shù)，可能性則非常大。北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文論文題目: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 院(部)名 稱: 電氣信息工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名: 李 冰 專 業(yè): 通信工程 學(xué) 號: 20220228 指導(dǎo)教師姓名:吳 亮 論文提交時間:2022 年 5 月 3 日 論文答辯時間:2022 年 5 月 28 日 學(xué)位授予時間: 北方民族大學(xué)教務(wù)處制北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究I摘 要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量具有感知能力、計算能力和通信能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成，能實時監(jiān)測、感知、采集和處理各種監(jiān)測對象的信息。從 20 世紀末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)進行連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)逐漸形成。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人們生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠的影響。網(wǎng)格能夠?qū)π畔⑦M行處理和共享，這些信息目前基本上來自計算機網(wǎng)絡(luò)，隨著科技的發(fā)展，未來的應(yīng)用不會只局限于對這些信息的存取，將會擴展到對真實自然信息的存取。感知單元通常由兩個子單元組成：傳感器(數(shù)量、種類可變)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。傳感器節(jié)點都有嵌入式微處理器和存儲器，嵌入式微處理器的處理和存儲器的存儲容量有限，因此傳感器的計算能力十分有限。在這樣的通信環(huán)境和節(jié)點有限通信能力的情況下，如何設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信機制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件，其軟硬件必須具有健壯性和容錯性 [2][3][6]。 (2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，其上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。因此在從各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。它能夠廣泛地應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和保護、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探測、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域 [3][5][6][7][14]。這種方法成本很低，節(jié)點體積小，相互之間可以通信，也可以和地面站進行通信。網(wǎng)格通信服務(wù)主要完成五層沙漏模型中的連接層功能。 網(wǎng)格的意義網(wǎng)格是一種面向問題和應(yīng)用的技術(shù)，隨著網(wǎng)格技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，網(wǎng)格可以在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，發(fā)揮更大的作用 [13]。網(wǎng)格的可靠性指網(wǎng)格提供的計算能力必須保證持續(xù)、穩(wěn)定和安全，網(wǎng)格內(nèi)部個別資源的變化對網(wǎng)格應(yīng)用不會造成影響。第一層為構(gòu)造層(FabricLayer):該層組件實現(xiàn)了基于底層特定資源的高層共享操作。 網(wǎng)格服務(wù)通過定義接口來完成不同的功能，服務(wù)數(shù)據(jù)是關(guān)于網(wǎng)格服務(wù)實例的信息，因此網(wǎng)格服務(wù)可以表示為：網(wǎng)格服務(wù)=接口/ 行為+服務(wù)數(shù)據(jù)。知識網(wǎng)格與數(shù)據(jù)網(wǎng)格的主要區(qū)別在于知識網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系更加復(fù)雜，主要反映在以下幾個方面：數(shù)據(jù)對象的來源多樣化；數(shù)據(jù)對象的信息即屬性更加復(fù)雜；數(shù)據(jù)對象之間的關(guān)系復(fù)雜化，難以用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的二維關(guān)系來表達。第三是資源信息的描述和表示方法，需要設(shè)計一種具有通用性和擴展性的、簡單易用的、統(tǒng)一的資源信息元數(shù)據(jù)描述和表示方法，以便屏蔽大量資源數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，按照統(tǒng)一的形式進行操作和訪問。(4)遠程沉浸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個新北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 24 頁的計算平臺，它可以無縫銜接數(shù)字世界和物理世界。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。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)有機結(jié)合起來，確保整個系統(tǒng)的安全。由于高動態(tài)的傳感器網(wǎng)格環(huán)境，任何關(guān)于 QoS 供應(yīng)的嘗試都應(yīng)該是自適應(yīng)的。檢測節(jié)點具有無線通信能力、智能化程度足夠高的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)處理能力，可以布置在遙遠的地理位置上，要求最低的建立成本和管理成本。③服務(wù)管理層：該層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，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)。當多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點同時到達組節(jié)點的時候，組節(jié)點運行數(shù)據(jù)融合算法進行數(shù)據(jù)融合操作。其結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要完成監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集、原始數(shù)據(jù)融合、組節(jié)點數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的工作。另外還需要服務(wù)描述來表達一個傳感器服務(wù)做什么，如何存取它以及該服務(wù)的 QoS 參數(shù)。(6)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性無線傳感器網(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。介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議決定無線信道的使用方式，它通過在傳感器節(jié)點之間分配和共享有限的無線信道資源，構(gòu)建起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格主要完成任務(wù)管理層和服務(wù)管理層的數(shù)據(jù)融合。(3)數(shù)據(jù)密集型計算。網(wǎng)格環(huán)境需要數(shù)據(jù)資源的高度共享與用戶之間的密切協(xié)作，數(shù)據(jù)信息如何發(fā)布并被發(fā)現(xiàn)是達到該目的的關(guān)鍵技術(shù)之一。并發(fā)應(yīng)用的接口圖 33 OGSA 的網(wǎng)格服務(wù)示意圖北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 20 頁起來，以盡量小的管理開銷達到完成一個共同計算任務(wù)的目的，成為科學(xué)計算網(wǎng)格的中心任務(wù)。應(yīng)用程序的開發(fā)涉及到大量的庫函數(shù)，為便于網(wǎng)格應(yīng)用程序的開發(fā)，需要構(gòu)建一個支持網(wǎng)格計算的庫函數(shù)。五層沙漏體系結(jié)構(gòu)是以協(xié)議為中心的協(xié)議結(jié)構(gòu)，自下而上分別為:構(gòu)造層、連接層、資源層、匯聚層和應(yīng)用層。以前對資源的共享大多停留在數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)膶哟危W(wǎng)格資源的共享允許直接使用或控制其他資源，充分利用網(wǎng)格提供的各種功能。網(wǎng)格資源監(jiān)控系統(tǒng)可以對網(wǎng)格資源進行狀態(tài)監(jiān)控，對于異常情況會及時向管理員做出反映，而且可以通過監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)進行控制，改變其狀態(tài)和行為。網(wǎng)格環(huán)境下的應(yīng)用程序調(diào)度方法包括應(yīng)用程序網(wǎng)格調(diào)度模型、機器選擇算法和任務(wù)映射與調(diào)度算法。雖然地殼偶爾小的震動可能不會帶來看得見的損壞，但是建筑物上也許會產(chǎn)生潛在的裂縫，這些裂縫可能會導(dǎo)致建筑物在下一次地震中倒塌。(10)應(yīng)用層技術(shù)北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 12 頁傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)往往執(zhí)行多種任務(wù)。(5)定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳