【正文】 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。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。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合，可以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)格的一個數(shù)據(jù)源，大大拓展網(wǎng)格應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源；將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合起來，還可以使自然界的實時數(shù)據(jù)和大量的計算資源結(jié)合在一起，能夠建立自然界的實時模型；同時也讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)得到充分處理。 結(jié)合的關(guān)鍵問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格是兩個差異很大的網(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，由此，在結(jié)合過程中需要考慮網(wǎng)絡(luò)連接問題、協(xié)議映射問題、擴展性、能量管理、任務(wù)調(diào)度、安全性、可靠性、服務(wù)質(zhì)量等方面的問題。 [1][2][3][5][11][12](1)不同網(wǎng)絡(luò)的連接問題在 WSN 中，各個通信節(jié)點通過無線媒介相互連接，這些鏈路可以由無線電波、紅外線、光構(gòu)成。無線連接的一種選擇是使用工業(yè)科學(xué)衛(wèi)生頻帶 [2]，由于硬件約束、天線效率和功耗之間的折中平衡限制，選擇超高頻頻率(UHF，300～ 3000MHz 高頻無線電波)作為傳感器收發(fā)信機的載波頻率；另一種可能的通信方式是采用紅外線，其收發(fā)信機價格便宜，易于研制，但通信距離有限；靈敏 Mote 傳感器微粒是自動感知、計算、通信系統(tǒng)，采用光媒介進行通信傳輸。由于無線傳感器節(jié)點之間的互聯(lián)是通過低帶寬、高延遲和不可靠的無線網(wǎng)絡(luò)，可能會由于環(huán)境噪音和信號衰減的影響造成無線通信中斷。在結(jié)合設(shè)計中，需要解決傳感器節(jié)點無線通信中不可預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)中斷和通信延遲問題。網(wǎng)格是通過快速和可靠的有線連接將網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備互聯(lián)起來，形成一個一大的資源共享網(wǎng)絡(luò)。(2)協(xié)議映射網(wǎng)格通信中使用開放的、通用的協(xié)議——Globus Toolkit 來協(xié)商和管理資源共享，它使用 Inter 協(xié)議通信，認證、通信保護和授權(quán)使用基于公開密鑰的網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)架(Grid Security Infrastructure，GSI)協(xié)議。五層沙漏網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與 TCP/IP 協(xié)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 25 頁議的對比見圖 31 所示。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。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)。它要解決隱藏終端和暴露終端問題，使用分布式控制機制實現(xiàn)信道資源共享。由于傳感器節(jié)點的計算和存儲能力有限，沒有能力使用 Inter 協(xié)議，在結(jié)合設(shè)計中就需要將網(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)點中。(3)擴展性擴展性是指把傳感器資源加入到一個傳感器網(wǎng)格來增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集能力，同時無需改變軟件體系結(jié)構(gòu)本質(zhì)的特性。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)，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)。擴展性可以保證網(wǎng)格應(yīng)用程序可以通過越來越多的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)訪問傳感器資源。(4)能量管理傳感器網(wǎng)絡(luò)能量非常有限，每一個傳感器節(jié)點都沒有固定的能量來源，而是依賴于有限的電池能量，而且傳感器節(jié)點通常都是隨機布置和無人照管的，有時少數(shù)幾個節(jié)點的功能障礙就能夠引起較大的網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，可能導(dǎo)致需要為分組數(shù)據(jù)重新尋找路由以及網(wǎng)絡(luò)重組。所以能量管理是一個需要重點考慮的問題，要在執(zhí)行操作和節(jié)省能量之間做出權(quán)衡。傳感器節(jié)點必須提供自適應(yīng)電源管理機制供不同的應(yīng)用使用。從傳感器網(wǎng)格的視角，傳感器節(jié)點的可用性不只依賴于它們的負載，也依賴于它們的能量消耗。(5)任務(wù)分配及調(diào)度傳感器場就像一個數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)從環(huán)境中動態(tài)獲取，分布在各個傳感器節(jié)點中，地理上分散的各個傳感器節(jié)點通過不可靠鏈路連接在一起。這就要求用戶有一個簡單接口來交互地給 WSN 分配、調(diào)度任務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的任務(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 26 頁常重要的一項工作。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)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。網(wǎng)格資源也要求經(jīng)過認證的個人和服務(wù)提供者才能夠訪問。在網(wǎng)格中，主要通過數(shù)字證書、相互鑒別、秘密通信、私鑰保護、PKI安全認證、對稱密碼體制和非對稱密碼體制等技術(shù)手段來確保訪問者的合法身份，實現(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)點認證、傳感數(shù)據(jù)加密、安全 MAC 協(xié)議、安全路由、入侵檢測等方式來保證節(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)有機結(jié)合起來，確保整個系統(tǒng)的安全。(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。為了防止這種情況，需要一些技術(shù)來改進傳感器節(jié)點可靠性。結(jié)合框架應(yīng)該能夠支持任務(wù)的復(fù)制和遷移，這樣，如果部分傳感器節(jié)點失效，傳感任務(wù)也可以很快由失效傳感節(jié)點遷移到正常節(jié)點。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)點的失效不會影響到整個傳感任務(wù)的執(zhí)行。另外，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)量是一個關(guān)鍵的問題，它決定了一個傳感器網(wǎng)格能否高效的提供所需要的資源。傳感器應(yīng)用的 QoS 需求規(guī)范應(yīng)該以一個高層次的方式描述出來，需要一個好的機制來完成高級別的需求到低級別 QoS 參數(shù)的映射。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、存儲空間、通信帶寬、消耗電量等指標。這些參數(shù)指定了要分配的資源的數(shù)量，比如傳感器的數(shù)量、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬。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。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)。一個服務(wù)請求可能需要很多傳感器資源。所以，為了保證要求的 QoS，需要北方民族大學(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 27 頁網(wǎng)格應(yīng)用層服務(wù)管理層任務(wù)管理層數(shù)據(jù)接入層中心節(jié)點 1 中心節(jié)點 n………………組節(jié)點 1 組節(jié)點 n………………傳感器節(jié)點 1 傳感器節(jié)點 n………………………………網(wǎng)格層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層圖 41 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合框架第一層第二層第三層預(yù)留這些資源。資源預(yù)留和傳感器資源調(diào)度緊緊的連在一起。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。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。對傳感器網(wǎng)格來說，其 QoS 應(yīng)該以一種協(xié)調(diào)的方式，通過把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格兩者的 QoS 機制集成起來加強。 結(jié)合框架 框架設(shè)計通過以上研究表述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架可分為兩部分:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)格層。其結(jié)合框架如圖 41 所示。1. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層主要有許多個執(zhí)行具體感知任務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都包含非常多的感知節(jié)點和至少一個中心節(jié)點(即頭節(jié)點)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點負責(zé)運行具體的數(shù)據(jù)感知任務(wù)，對所得數(shù)據(jù)進行初步的處理；中心節(jié)點是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集點，它可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所得數(shù)據(jù)傳遞到上層進行存儲或處理。在該結(jié)合框架中，中心節(jié)點就代表著一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)都通過中心節(jié)點向上傳輸，上層對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作也通過中心節(jié)點向下層下達。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 28 頁在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中還存在著若干組節(jié)點。組節(jié)點可以起到感知節(jié)點和中心節(jié)點通信橋梁的作用，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點的無線通信范圍小，無法和中心節(jié)點直接通信的問題。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。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。由此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層又可以分為三層。第一層是監(jiān)測傳感器節(jié)點。該層的主要任務(wù)是監(jiān)測所監(jiān)控區(qū)域的物理量并將其傳輸。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。第二層是組節(jié)點層。組節(jié)點是一個很小的監(jiān)測區(qū)域中由所有傳感器節(jié)點選舉產(chǎn)生的一個代表節(jié)點，該節(jié)點一方面收集相鄰傳感器節(jié)點傳輸給它的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行融合，另一方面構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將所有的感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點。在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用組節(jié)點有以下幾個優(yōu)勢:(1)動態(tài)選擇的組節(jié)點可以使不同傳感器節(jié)點輪流作為組節(jié)點，避免一個傳感器節(jié)點永遠作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點，節(jié)省傳輸節(jié)點的能量，延長整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。(2)組節(jié)點的形成可以反映監(jiān)測區(qū)域狀態(tài)的快速變化情況。(3)組節(jié)點的數(shù)據(jù)融合算法能夠更加體現(xiàn)環(huán)境特點。在組節(jié)點的周圍，有一系列的傳感器節(jié)點給它傳輸數(shù)據(jù)，這些節(jié)點之間的距離非常小，傳感所得的數(shù)據(jù)差異也就非常的小。利用組節(jié)點對這些數(shù)據(jù)融合，可以根據(jù)該區(qū)域的數(shù)據(jù)特點應(yīng)用個性化的數(shù)據(jù)融合算法或者對一些融合算法的參數(shù)進行適時調(diào)整，體現(xiàn)環(huán)境特點。第三層是中心節(jié)點層。中心節(jié)點是傳感器節(jié)點，在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般是固定的，起著聯(lián)系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點和上層數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的任務(wù)。檢測節(jié)點采用多跳通信將感知信息中繼給中心節(jié)點，再通過中心節(jié)點來發(fā)布感知信息。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。其結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入層：該層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)進行抽象，使上層看到一致的數(shù)據(jù)。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：該層主要作用是多數(shù)據(jù)融合任務(wù)的合理調(diào)度，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)。(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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量有限，通信距離有限，如果讓所有節(jié)點都參與傳感數(shù)據(jù)的傳輸，既浪費帶寬，又浪費能量，還傳輸了大量冗余數(shù)據(jù)，降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整個系統(tǒng)的有效利用率。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以利用部分節(jié)點動態(tài)形成傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過所有節(jié)點輪流擔(dān)當傳輸網(wǎng)絡(luò)職能，延長整個網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。傳輸網(wǎng)絡(luò)的形成流程如圖 43 所示：(1)某個組節(jié)點判斷自己是否屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)。(2)如果它不屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)，它就廣播網(wǎng)絡(luò)形成請求。(3)該節(jié)點接收別的節(jié)點的應(yīng)答，判斷應(yīng)答是否為中心節(jié)點通路。(4)如果該應(yīng)答包含的通路能夠到達中心節(jié)點，則將該應(yīng)答節(jié)點加入傳輸路徑。(5)如果該應(yīng)答的節(jié)點不包含中心節(jié)點通路，則將該節(jié)點加入可連通路徑。(6)在該節(jié)點屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)后，該節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)構(gòu)成，進入數(shù)據(jù)傳輸階段。在構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò)后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就進入了穩(wěn)定傳輸階段，該階段主要完開始組節(jié)點判斷是否屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)請求網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答是否包含至中心通路該節(jié)點將加入傳輸路徑加該點為連通路徑進入傳輸階段結(jié)束否是否圖 43 傳輸網(wǎng)絡(luò)的形成流程是北方民族大學(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 31 頁成數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)融合工作，數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)格層分別進行。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。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。組節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合的方法是