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 　　摘 要：網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可以彌補(bǔ)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力的不足，提高傳感數(shù)據(jù)利用率，增加數(shù)據(jù)價(jià)值。但網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合面臨著連接、擴(kuò)展性、任務(wù)調(diào)度等一系列問題。本文提出一個(gè)結(jié)合框架來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格的結(jié)合，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。

　　關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)格;結(jié)合框架

　　The Key Issues on Integration of Wireless Sensor Networks and Grid　Feng Xiufang，Liu Baodong

　　Abstract:The integration of wireless sensor networks （WSN） and grid can complete the lack of WSN’s data processing capacities, and improve the sensor data utilization ratio and value. But there are several issues such as connection, scalability and task scheduling problems when grid communicating with WSN directly. An integration framework is presented to integrate the WSN and grid. The key issues when construct the integration framework are presented and the resolving methods also mentioned.

　　Keywords: Wireless Sensor Networks （WSN）; Grid; Integration Framework

　　1. 概述

　　微電子學(xué)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)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(cè)、工業(yè)監(jiān)控、軍事安全監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。通過監(jiān)測(cè)區(qū)域中布置的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，可以精密測(cè)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(gè)新的計(jì)算平臺(tái)，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(gè)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(chǔ)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(shí)受到了限制[1]。

　　現(xiàn)在，具有高速計(jì)算能力、巨量存儲(chǔ)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(dòng)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(gè)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)的不足，并且有以下一些優(yōu)勢(shì)：

　�。�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(chǔ)資源可以對(duì)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(chǔ)。

　�。�2） 一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所得的數(shù)據(jù)可以同時(shí)被多個(gè)網(wǎng)格應(yīng)用使用。

　　同一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所得數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)格平臺(tái)同時(shí)被多個(gè)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(shí)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(shí)。

　　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(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得傳感數(shù)據(jù)的新知識(shí)。

　　2. 相關(guān)工作

　　HourGlass[2]是一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(qǐng)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(cè)和分類、分布式?jīng)Q策制定等工作。

　　3. 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(gè)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(huì)由于環(huán)境噪音和信號(hào)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(chǔ)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(dòng)態(tài)加入到網(wǎng)格中。它要能夠同時(shí)連接多個(gè)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(chǔ)資源進(jìn)行集成，這樣才可以使用戶透明地使用多個(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)存在多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(gè)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(shí)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(gè)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(huì)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(huì)影響到整個(gè)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(chǔ)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(gè)不同的傳感器資源時(shí)，為了達(dá)到要求的QoS，需要對(duì)傳感資源進(jìn)行預(yù)留。

　　4. 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(gè)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(gè)系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架

　　（1） 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入層：該層的主要作用是多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫接入，對(duì)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)。

　　5. 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(gè)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(duì)移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的特殊處理，無法改進(jìn)對(duì)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。

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