陳　鵬,劉　軍,胡　浩

(1.武漢工程大學(xué) 智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢430205;

2. 武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢430205)

無線傳感網(wǎng)下的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)架構(gòu)研究

陳鵬1,2,劉軍1，2*,胡浩2

(1.武漢工程大學(xué) 智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢430205;

2. 武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢430205)

摘要：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，利用無線網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知理念，在傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)級通過對協(xié)議棧的優(yōu)化與創(chuàng)新，建立與傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)不同的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)架構(gòu)具有重要意義。該節(jié)點(diǎn)架構(gòu)利用無線傳感網(wǎng)的認(rèn)知性和傳感網(wǎng)的自組織性，進(jìn)一步優(yōu)化無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，以適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代下處理無交互能力對象的數(shù)據(jù)傳輸要求。在基于Zigbee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上引入了認(rèn)知節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，對該節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的結(jié)構(gòu)、作用及設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了深入闡述，為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)提出了一種可供選擇的新理念與新途徑。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)架構(gòu)；Zigbee

中圖分類號：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號：號：2095-4824(2015)06-0075-04

收稿日期：2015-09-08

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳青年人才項(xiàng)目(Q20111504)；武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(12116021)；武漢工程大學(xué)研

作者簡介：陳鵬(1990-)，男，湖北武漢人，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院研究生。

通信作者劉軍(1975-)，男，湖北武漢人，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士，本文。

Abstract：In the era of big data, it is significant to construct a different cognitive node architecture from the traditional wireless sensor network by using the cognitive theory in the wireless network, and optimizing and improving the protocol stack of sensor network at the node level. Such node architecture can utilize the cognition and self-organization of wireless sensor network to further improve the data transmission performance of wireless sensor networks, and meet the need of data transmission of the objects without any interactive capability in the dig data environments. Based on the Zigbee protocol stack, this paper elaborates the structure, function, and design concepts of the node architecture with the cognitive node architecture, which provides a new alternative idea and technique for the wireless data transmission in the era of dig data.

大數(shù)據(jù)是繼云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)之后信息技術(shù)融合的又一種新的應(yīng)用方式[1]。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與方式將發(fā)生巨大的變化。各行各業(yè)都在從海量堆積的交互數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)帶有趨勢性、前瞻性的信息，為行業(yè)發(fā)展作出指導(dǎo)與預(yù)測，具有巨大的潛在商業(yè)價(jià)值。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是收集大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與信息的關(guān)鍵技術(shù)，是大數(shù)據(jù)的來源與接口。近年來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效收集和實(shí)時(shí)傳遞是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[2]，而解決大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸是該領(lǐng)域的難點(diǎn)。因此，研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

1大數(shù)據(jù)的基本特征

大數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)信息的集合。通過對大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，能從其中獲得新的價(jià)值[3-4]。

大數(shù)據(jù)主要有三個(gè)方面的特征，即：(1)數(shù)據(jù)量大。比如，移動通信每天產(chǎn)生數(shù)億的數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備每天采集上億的環(huán)境數(shù)據(jù)；(2)時(shí)效性要求高，數(shù)據(jù)被創(chuàng)建和移動的速度快；(3)種類和來源多樣化，包括結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化、關(guān)系數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)倉庫/互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁等多種數(shù)據(jù)類型。

2無線傳感網(wǎng)與大數(shù)據(jù)之間的關(guān)系

互聯(lián)網(wǎng)為大數(shù)據(jù)提供了大量數(shù)據(jù)信息，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)則是一種收集沒有交互能力對象的底層數(shù)據(jù)的有效技術(shù)手段。對于一系列復(fù)雜且需集合化的數(shù)據(jù)收集，例如地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，即無線傳感器將發(fā)揮行之有效的作用。通過無線傳感器對數(shù)據(jù)的收集和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞，無疑擴(kuò)大和充實(shí)了大數(shù)據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)源[3]。無線傳感器是絕佳的變化監(jiān)測者，采集被感知對象的信息后會及時(shí)反饋給觀察者。無線傳感技術(shù)是人們收集環(huán)境信息非常有效的手段，在軍事、航空、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。

究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX201274)

胡浩(1994-)，男，湖北咸寧人，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，通過對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，為大?shù)據(jù)提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，將會對大數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來更加深遠(yuǎn)的發(fā)展。

3無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)探究與優(yōu)化

結(jié)合無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的基本技術(shù)特點(diǎn)與大數(shù)據(jù)的特征，在此基礎(chǔ)上建立與優(yōu)化節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，使整個(gè)傳感網(wǎng)成為一種智慧型的網(wǎng)絡(luò)。這種智慧型的傳感網(wǎng)不僅能適應(yīng)大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集的基本要求，而且還能產(chǎn)生許多傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)所不具備的新特性。

3.1無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的技術(shù)特點(diǎn)

相對于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有如下顯著的技術(shù)特點(diǎn)：(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高，數(shù)量大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可作傳感器又可作路由節(jié)點(diǎn)；(2)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲能力有限；(3)節(jié)點(diǎn)體積小，能量有限；(4)通信能力有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較窄，節(jié)點(diǎn)間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米；(5)擁有獨(dú)特的底層通信傳輸媒介；(6)各傳感器節(jié)點(diǎn)位置隨機(jī)分布，具有節(jié)點(diǎn)間無中心、自組織、多跳通信的特點(diǎn)；(7)可以同時(shí)通過多條信源——信宿路由傳輸數(shù)據(jù)；(8)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的魯棒性和良好的伸縮性。

3.2IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議簡介

IEEE802.15.4/ZigBee是一種新興的短距離無線射頻通信協(xié)議,該協(xié)議充分考慮了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術(shù)，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中具有廣泛的代表性。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個(gè)簡化標(biāo)準(zhǔn)，每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的結(jié)構(gòu)通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。Zigbee協(xié)議主要由物理層(PHY)、介質(zhì)訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)和安全服務(wù)層(SSP)組成。其中PHY和MAC層標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義，MAC層之上的NWK層、APL層、SSP層由Zigbee聯(lián)盟的Zigbee標(biāo)準(zhǔn)定義。APL層由應(yīng)用支持層(APS)，應(yīng)用框架(AF)、Zigbee設(shè)備對象(ZDO)以及ZDO管理平臺組成[5]。圖1是ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖。

圖1　ZigBee協(xié)議棧

3.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知性

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸中，引入認(rèn)知性的思想極為重要。認(rèn)知是指能感知環(huán)境，從過去的行動中學(xué)習(xí)并利用所學(xué)知識使網(wǎng)絡(luò)具有對未來決策的能力[6]。

圖2是無線網(wǎng)絡(luò)中的利用認(rèn)知進(jìn)行路由選擇的例子。S1和S2是試圖將數(shù)據(jù)路由到目的節(jié)點(diǎn)D1和D2的源節(jié)點(diǎn)。在缺乏可用中繼節(jié)點(diǎn)的情況下，確定節(jié)點(diǎn)R5在通往D1和D2時(shí)具有最低的鏈路中斷概率。當(dāng)多個(gè)源節(jié)點(diǎn)開始通過該節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通過R5的路由就有可能發(fā)生擁塞。但對于具有學(xué)習(xí)能力的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，通過觀察源節(jié)點(diǎn)吞吐量的減少，能夠確定和預(yù)測到R5可能發(fā)生擁塞。通過與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)共享路由情況，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠主動地將數(shù)據(jù)通過不同的路徑節(jié)點(diǎn)R4、R8和R9進(jìn)行路由，有利于保護(hù)類似R5的節(jié)點(diǎn)，維持網(wǎng)絡(luò)連接，從而提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸?；谏鲜鰬?yīng)用，網(wǎng)路可能在跳路最小化(S1-R4-D1)和不論跳數(shù)而功耗最低(S1-R1-R2-R3-D1)之間做出選擇。

圖2　認(rèn)知路由選擇

因此，認(rèn)知性可以有效解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)性與誤碼率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高信道容量與信道利用率，是符合大數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Ъ夹g(shù)之一。

3.4 認(rèn)知無線傳感網(wǎng)的通用架構(gòu)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)端到端的目標(biāo)傳送中，它可能涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的每一個(gè)要素，即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和應(yīng)用層以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流。因此，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端對端數(shù)據(jù)傳輸中，目標(biāo)數(shù)據(jù)流應(yīng)當(dāng)滿足不同層的傳輸需求，且層與層間不相互沖突。通過使用具有學(xué)習(xí)和推理能力的認(rèn)知技術(shù)與智能優(yōu)化技術(shù)，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)架構(gòu)可以達(dá)到以下目標(biāo)：(1)在異構(gòu)的WSN環(huán)境中滿足不同的應(yīng)用需求；(2)滿足物理層要求，如固定的BER(誤碼率)或保持一定的發(fā)送功率要求；(3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)不工作或改變角色時(shí)，能維持一定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通性要求；(4)承擔(dān)MAC的部分職責(zé)，執(zhí)行結(jié)構(gòu)調(diào)度和信道接入功能。

為不失一般性，可以修改現(xiàn)有的IEEE 802.15.4/Zigbee協(xié)議棧和其他協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)具有認(rèn)知能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)架構(gòu)如圖3所示。

圖3　認(rèn)知節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

通過在節(jié)點(diǎn)級引入認(rèn)知技術(shù)，借助網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的相互作用，可以在整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)中引入認(rèn)知行為。這種增強(qiáng)的體系結(jié)構(gòu)有如下重要特征：認(rèn)知決策引擎(Cognitive Decision - Making Engine，CDME)、知識庫(Knowledge Base，KB)、變化監(jiān)測引擎(Change Monitoring Engine，CME)和優(yōu)化引擎。

具有映射到CDME的PHY是指物理層的輸入信息能及時(shí)反饋到CME，這部分信息包括路徑損耗、信道衰落特性、信道可用性和容量消耗等，它們在決策時(shí)起作用。

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新主要是跟蹤MAC和NWK層的變化，主要是節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，隨后將跟蹤的信息反饋給CME。CME的主要功能是收集Zigbee協(xié)議棧所有層的更新信息，并提供給CDME，從而幫助它“學(xué)習(xí)”相鄰節(jié)點(diǎn)的變化，并周期性地發(fā)送給CDME，以便能及時(shí)改變策略，使整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的生命周期實(shí)現(xiàn)最大化。KB是認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的信息倉庫，包含了基于終端用戶需求的預(yù)編程輸入。這些輸入將有助于CDME在不同的網(wǎng)絡(luò)條件下作出及時(shí)的響應(yīng)，從而提升網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知能力。CDME是認(rèn)知過程的核心，它利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新感應(yīng)器、物理層和應(yīng)用層提供的可用信息，結(jié)合以前知識庫中的可用信息，將之轉(zhuǎn)化成可用的知識。優(yōu)化引擎是探索利用網(wǎng)絡(luò)的有利條件將學(xué)習(xí)和優(yōu)化過程相結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生增強(qiáng)的優(yōu)化程序。

認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的多個(gè)要素相互作用，便能產(chǎn)生一系列的新特征，包括：(1)最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期；(2)進(jìn)一步減小誤碼率；(3)加強(qiáng)信道利用率，增大信道容量；(4)最大化數(shù)據(jù)傳輸速率；(5)提高數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)傳輸過程中的穩(wěn)定性與可靠性。

4結(jié)束語

本文對大數(shù)據(jù)環(huán)境下無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了初步研究，提出了一種適應(yīng)大數(shù)據(jù)特征的改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)級技術(shù)，分析了基于協(xié)議棧層的構(gòu)造方法，對這種新型節(jié)點(diǎn)級技術(shù)所具有的新特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。本文方法進(jìn)一步提升了人們對無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)的認(rèn)識，豐富了無線傳感技術(shù)的理論方法，有望將來對大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等行業(yè)和相關(guān)領(lǐng)域帶來更多的應(yīng)用價(jià)值。

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Research on Cognitive Node Architecture in Wireless Sensor Network

Chen Peng1,2，Liu Jun1,2*，Hu Hao2

(1.HubeiKeyLaboratoryofIntelligentRobot,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan,Hubei430205,China;

2.SchoolofComputerScienceandEngineering，WuhanInstituteofTechnology,Wuhan,Hubei430205,China)

Key Words：big data；wireless sensor networks；data transmission；node architecture；Zigbee

(責(zé)任編輯：張凱兵)