泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)概論及其體系結(jié)構(gòu)

摘要：本文剖析了泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)的涵義及其特征。基于ITU NGN-GSI的研究基礎(chǔ)，定義了一種泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)組件的功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

關(guān)鍵詞：USN；泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-7953(2009)03-0099-02

當(dāng)你進(jìn)入一座現(xiàn)代辦公大樓，比如位于日內(nèi)瓦的ITU-T辦公室，玻璃門會(huì)自動(dòng)打開；當(dāng)你走進(jìn)一間昏暗的房間，電燈會(huì)自動(dòng)照亮。這種“魔法”是通過運(yùn)動(dòng)傳感器(motion sensor)來實(shí)現(xiàn)的。然而，當(dāng)你進(jìn)入一座未來的大樓時(shí)，你可能會(huì)聽到根據(jù)你的名字而設(shè)計(jì)的個(gè)性化問候，并準(zhǔn)備好與你身份相一致的安全訪問。所有這一切都是在無人干涉的情況下完成的。為了做到這些，不但需要智能傳感器，也許還需要ID標(biāo)簽、閱讀器以及與一個(gè)或多個(gè)包含你個(gè)人信息的數(shù)據(jù)庫(kù)的交互作用。

在2008年2月發(fā)布的ITU-T技術(shù)觀察簡(jiǎn)報(bào)《Ubiquitous Sensor Networks》中，提出使用術(shù)語“泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)(Ubiquitous Sensor Networks，USN)”來描述這種關(guān)于智能傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。USN字面意義是：無論如何遙遠(yuǎn)，傳感器被部署在地球的每一部分。顯然，這是一個(gè)不現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)。考慮到實(shí)用性和可實(shí)現(xiàn)性，ITU-T將USN 描述成一種在任何地方都可用到的技術(shù)。

1泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)定義與特征

1.1泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義

USN是關(guān)于智能傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，是可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)e-Life社會(huì)的智能信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施(intelligent information service infrastructure)。具有特定功能的智能傳感器節(jié)點(diǎn)被廣泛地部署在各種物體(甚至是人體)上，通過Ad-hoc通信技術(shù)構(gòu)成WSN，以協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境信息或被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理后傳送給終端用戶，實(shí)現(xiàn)在任何地方、任何時(shí)候，為任何人、任何事物提供各種個(gè)性化的知識(shí)服務(wù)。

1.2泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征

USN是關(guān)于智能傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。這些智能傳感器節(jié)點(diǎn)，將來有一天，會(huì)無處不在。由此實(shí)現(xiàn)的高級(jí)e-Life社會(huì)是由智能網(wǎng)絡(luò)、最先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)以及其它領(lǐng)先的數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施武裝而成的技術(shù)社會(huì)形態(tài)。根據(jù)這樣的構(gòu)想，USN將以“無所不在”、“無所不包”、“無所不能”為基本特征，幫助人類實(shí)現(xiàn)“4A”化通信，即在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，任何人、任何物都能順暢地通信。具體地說，USN主要具有如下特征：1)泛在性、異構(gòu)性；2)規(guī)模大、密度高；3)自組織、自愈性；4)以數(shù)據(jù)為中心；5)環(huán)境感知性；6)應(yīng)用相關(guān)性；7)節(jié)點(diǎn)體積小、資源受限；8)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?)開放性、透明性；10)移動(dòng)性、寬帶性；11)多媒體、協(xié)同性；12)對(duì)稱性、融合性；13)易受攻擊性。

從以上特征可以看出，USN不是顛覆性的網(wǎng)絡(luò)革命，而是對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)潛力的挖掘和網(wǎng)絡(luò)效能的提升。

2泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.1泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)

泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)采用ITU-T關(guān)于USN體系結(jié)構(gòu)的建議，論文提出的USN整體結(jié)構(gòu)如圖(2-1)所示，它主要包括5個(gè)組件，自底向上分別是：傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor Networks)、USN接入網(wǎng)絡(luò)(USN Access Network)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(Network Infrastructure)、USN中間件(USN Middleware)和USN應(yīng)用平臺(tái)(USN Applications Platform)。

關(guān)于USN體系結(jié)構(gòu)，幾點(diǎn)補(bǔ)充說明如下：

1)USN體系結(jié)構(gòu)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)特指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱傳感器節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn))、執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間采用無線通信技術(shù)通信。所有節(jié)點(diǎn)以Ad Hoc方式自組織成網(wǎng)絡(luò)。

2)在某些應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)之間也許會(huì)采用有線通信方式進(jìn)行通信，所構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為有線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3)在一些應(yīng)用中，傳感數(shù)據(jù)的傳輸可能采用RFID網(wǎng)絡(luò)。RFID網(wǎng)絡(luò)的地位相當(dāng)于USN體系結(jié)構(gòu)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

4)由圖2-1可知，3USN不但是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而且是一個(gè)可支持各類應(yīng)用的智能信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。

2.2泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)的組件

2.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)

在USN體系結(jié)構(gòu)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)特指WSN。WSN的基本功能是：協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2-2所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2.2USN接入網(wǎng)絡(luò)

邏輯上，USN接入網(wǎng)絡(luò)域位于傳感器網(wǎng)絡(luò)域與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施域之間，是傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制中心或外部實(shí)體之間的通信橋梁。傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的信息，通過USN接入網(wǎng)絡(luò)，傳送至控制中心或外部實(shí)體。

物理上，USN接入網(wǎng)絡(luò)域是關(guān)于匯節(jié)點(diǎn)的集合。匯節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力，它即可以是一個(gè)具有足夠能量供給和更多內(nèi)存資源與計(jì)算能力的增強(qiáng)型傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

2.2.3網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施主要是指全球網(wǎng)絡(luò)，包括Internet、NGN、GSM等。

2.2.4USN中間件

USN中間件是指收集并處理傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的軟件。USN中間件主要實(shí)現(xiàn)如下功能：傳感信息搜集、數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)處理、環(huán)境感知處

理、環(huán)境感知決策與估計(jì)等。

2.2.5USN應(yīng)用平臺(tái)

USN應(yīng)用平臺(tái)是指實(shí)現(xiàn)各種USN應(yīng)用和服務(wù)的技術(shù)平臺(tái)。USN應(yīng)用和服務(wù)主要包括集成服務(wù)(integrated service)、傳感信息描述和表示(sensory information description and presentation)等。基于USN中間件，各種USN應(yīng)用和服務(wù)得以建立起來［同時(shí)，利用USN中間件，USN向各類用戶(包括個(gè)人、企業(yè)、組織和政府等)提供所有USN應(yīng)用和服務(wù)。

3結(jié)束語

USN綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)等，是一種典型的多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的高科技技術(shù)，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注的新興前沿研究領(lǐng)域。目前，USN理論研究成果比較豐富，應(yīng)用研究成果也逐日增多。盡管如此，對(duì)于USN，尚有大量問題尚未解決。從USN涉及的關(guān)鍵技術(shù)來看，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，USN的研究熱點(diǎn)和研究難點(diǎn)將主要集中在以下八個(gè)方面，即：USN體系結(jié)構(gòu)、USN通信協(xié)議、USN安全、USN傳感器接口、USN數(shù)據(jù)管理、USN編程模型、USN時(shí)間和空間約束、USN技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文詳細(xì)剖析了USN體系結(jié)構(gòu)。今后，USN應(yīng)用研究將集中在以下幾個(gè)方面：適合領(lǐng)域(如軍事領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等)應(yīng)用的應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、無線傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)(匯節(jié)點(diǎn))技術(shù)、移動(dòng)基站技術(shù)、能量有效的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)、多網(wǎng)(如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、無線數(shù)字業(yè)務(wù)網(wǎng)等)整合技術(shù)、節(jié)能數(shù)據(jù)收集技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)(如USN數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、USN知識(shí)管理系統(tǒng)等)開發(fā)等。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 高峰，俞立，張文安，等.基于作物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量灌溉系統(tǒng)的初步研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2008， 24(1): 60-63.

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