呂龍龍

摘 要 在大數(shù)據(jù)的信息環(huán)境下，基于無線傳感網(wǎng)絡的理論認知概念，在傳感網(wǎng)絡體系的認知節(jié)點通過對協(xié)議棧進行改進，構建與傳統(tǒng)模式無線傳感網(wǎng)絡存在差異的認知節(jié)點架構體系具有實際意義。這個認知節(jié)點架構體系通過對無線傳感網(wǎng)絡的認知特征與傳感網(wǎng)絡的組織特性，逐漸改建無線傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)信息傳送功能，從而能夠符合在大數(shù)據(jù)環(huán)境下實現(xiàn)無交互功能的數(shù)據(jù)傳輸目的。對于ZigBee協(xié)議棧的通信基礎上引入認知節(jié)點架構體系，對無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點架構的結構、功能以及設計方案進行系統(tǒng)描述。

【關鍵詞】無線 網(wǎng)絡 節(jié)點

互聯(lián)網(wǎng)技術能夠為大數(shù)據(jù)環(huán)境提供龐大的數(shù)據(jù)信息量，而無線傳感網(wǎng)絡體系屬于一種收集缺乏數(shù)據(jù)信息交互能力的底層技術實現(xiàn)模式。針對一系列復雜并且實現(xiàn)集合化的數(shù)據(jù)信息收集，比如地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度以及方向等物理量，無線傳感網(wǎng)絡架構體系的認知節(jié)點，即實現(xiàn)無線傳感器的有效功能。通過對無線傳感網(wǎng)絡架構體系對數(shù)據(jù)的收集與傳遞功能，毋庸置疑會直接擴展大數(shù)據(jù)功能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)信息源。無線傳感網(wǎng)絡認知節(jié)點是功能的數(shù)據(jù)監(jiān)測者，收集被感知對象的數(shù)據(jù)信息后能夠及時反饋到監(jiān)測人員。無線傳感網(wǎng)絡通信技術是人們收集環(huán)境信息非常有效的方式，在軍事、航空、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等各種行業(yè)領域都能夠充分發(fā)揮出重大功能。

1 無線傳感網(wǎng)絡的特點

無線傳感器網(wǎng)絡的特點有以下若干方面：

（1）無線傳感網(wǎng)絡架構的認知節(jié)點密度、數(shù)量大，各個認知節(jié)點能夠用作傳感器，同時能夠用于路由節(jié)點；

（2）無線傳感網(wǎng)絡架構體系認知節(jié)點的計算與存儲功能比較有限；

（3）無線傳感網(wǎng)絡架構體系節(jié)點的體積能量非常有限；

（4）數(shù)據(jù)通信能力比較有限，無線傳感網(wǎng)絡體系的帶寬范圍相對較窄，通信節(jié)點之間的通信單跳距離一般只有幾到幾百米；

（5）擁有獨特的底層通信傳輸媒介；

（6）各個無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點位置進行隨機分布選擇，節(jié)點相互之間無中心、自組織、多跳通信的特點；

（7）功能同時通過多條信源--信宿路由傳輸數(shù)據(jù)；

（8）無線傳感網(wǎng)絡架構體系具有較好的魯棒性與優(yōu)越的伸縮性。

2 ZigBee通信協(xié)議介紹

IEEE802.15.4/ZigBee屬于一類新型的近距離無線網(wǎng)絡通信協(xié)議，這項協(xié)議能夠滿足無線傳感網(wǎng)絡架構體系的功能需求，體現(xiàn)了可靠性高、功耗低的技術優(yōu)勢，在無線傳感網(wǎng)絡架構體系中存在普遍有效的應用性。ZigBee通信協(xié)議的架構體系結構一般是通過層的概念量化各種具體的認知標準，各層對應著既定的通信任務，同時逐步向上層提供通信服務。各層級相互之間的架構體系通過所規(guī)定的邏輯線路提供具體服務。ZigBee協(xié)議通常是由物理層（PHY）、介質訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡層（NWK）、應用層（APL）以及安全服務層（SSP）等直接構成。其中PHY與MAC層級的標準是由IEEE802.15.4標準定義MAC層之上的NWK層、APL層、SSP層是由ZigBee聯(lián)盟的ZigBee標準定義。APL層是由應用支持層（APS）、 應用框架（AF）、ZigBee設備對象（ZDO）以及ZDO管理平臺所直接構成。圖1是ZigBee協(xié)議棧的結構圖。

3 無線傳感網(wǎng)絡的認知節(jié)點架構

在無線傳感網(wǎng)絡架構體系中從端點到端點的數(shù)據(jù)信息傳輸過程中，其直接涉及到無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議棧中的各個通信元素，即為應用層、網(wǎng)絡層、MAC層、應用層以及無線傳感網(wǎng)絡架構中的數(shù)據(jù)信息流。所以在實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡從端點到端點的數(shù)據(jù)信息傳輸過程中，目標數(shù)據(jù)流需要符合各種不同層級的數(shù)據(jù)傳輸功能，同時各層級之間不能夠存在沖突情況。通過使用具有學習和推理能力的認知技術與智能優(yōu)化技術，無線傳感網(wǎng)絡架構體系的認知節(jié)點能夠實現(xiàn)相應的目標：⑴在異構模式的WSN環(huán)境中實現(xiàn)各種的應用功能；⑵符合物理層的功能標準，比如固定的 BER（誤碼率）或者維持特定的發(fā)送功率；⑶當節(jié)點不工作或改變角色時，能維持一定的網(wǎng)絡覆蓋和連通性要求；⑷承擔 MAC的部分職責，執(zhí)行結構調度和信道接入功能。為不失一般性，可以修改現(xiàn)有的IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議棧和其他協(xié)議棧的結構，以實現(xiàn)具有認知能力的無線傳感器網(wǎng)絡，認知節(jié)點架構如圖2所示。

在無線傳感網(wǎng)絡架構的節(jié)點層級間引入認知通信技術，通過網(wǎng)絡架構中節(jié)點的相互作用，能夠在整個無線傳感網(wǎng)絡中引入相應的認知行為。這種無線傳感網(wǎng)絡架構有如下重要特點：認知決策引擎、知識庫、變化、監(jiān)測引擎以及優(yōu)化引擎等。具有映射到CDME的PHY是指物理層的輸入信息能及時反饋到CME，這部分數(shù)據(jù)信息主要包括路徑損耗、信道衰減特性、信道可用性和容量消耗等，在決策過程中具有關鍵作用。無線傳感網(wǎng)絡狀態(tài)主要是定位MAC與NWK層的通信變化，主要包含認知節(jié)點的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，從而將定位獲取的數(shù)據(jù)信息反饋到CME中。CME的主要功能是收集ZigBee協(xié)議棧各層級的數(shù)據(jù)信息，同時提供到CDME中，有利于認知相鄰網(wǎng)絡節(jié)點的信息狀況，并周期性地發(fā)送給CDME，以便于能夠及時地優(yōu)化執(zhí)行策略，使得整個無線傳感網(wǎng)絡架構體系的生命周期達到最大化目標。KB是無線網(wǎng)絡認知節(jié)點的數(shù)據(jù)信息倉庫，主要包括終端用戶需求的預編程輸入。這部分輸入將有助于CDME在各種無線網(wǎng)絡通信條件下進行有效響應，從而可以提升無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點信息認知能力。CDME是整個認知過程的關鍵環(huán)節(jié)，其主要借助無線傳感網(wǎng)絡的狀態(tài)更新感應器、物理層以及應用層所能夠提供的有效數(shù)據(jù)信息，結合在信息知識庫中的具體有效信息，將其轉變成為可行的知識優(yōu)化引擎，這通過無線傳感網(wǎng)絡的優(yōu)勢將學習和優(yōu)化過程相結合，從而實現(xiàn)功能優(yōu)化的執(zhí)行程序。

4 結語

根據(jù)大數(shù)據(jù)的性能特點對無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點架構體系進行分析研究，提出能夠滿足大數(shù)據(jù)性能要求的節(jié)點架構體系，分析以協(xié)議棧層為基礎的構造模式，這類新型節(jié)點技術具備的新型特點進行系統(tǒng)概述，基于無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點之間數(shù)據(jù)信息傳輸特征的系統(tǒng)認識， 不斷改進無線傳感網(wǎng)絡通信技術的理論系統(tǒng)。

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作者單位

運城職業(yè)技術學院 山西省運城市 044000