無線傳感網絡的認知節點架構分析

呂龍龍

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

【關鍵詞】無線 網絡 節點

互聯網技術能夠為大數據環境提供龐大的數據信息量，而無線傳感網絡體系屬于一種收集缺乏數據信息交互能力的底層技術實現模式。針對一系列復雜并且實現集合化的數據信息收集，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，無線傳感網絡架構體系的認知節點，即實現無線傳感器的有效功能。通過對無線傳感網絡架構體系對數據的收集與傳遞功能，毋庸置疑會直接擴展大數據功能實現的數據信息源。無線傳感網絡認知節點是功能的數據監測者，收集被感知對象的數據信息后能夠及時反饋到監測人員。無線傳感網絡通信技術是人們收集環境信息非常有效的方式，在軍事、航空、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等各種行業領域都能夠充分發揮出重大功能。

1 無線傳感網絡的特點

無線傳感器網絡的特點有以下若干方面：

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

（2）無線傳感網絡架構體系認知節點的計算與存儲功能比較有限；

（3）無線傳感網絡架構體系節點的體積能量非常有限；

（4）數據通信能力比較有限，無線傳感網絡體系的帶寬范圍相對較窄，通信節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）各個無線傳感網絡節點位置進行隨機分布選擇，節點相互之間無中心、自組織、多跳通信的特點；

（7）功能同時通過多條信源--信宿路由傳輸數據；

（8）無線傳感網絡架構體系具有較好的魯棒性與優越的伸縮性。

2 ZigBee通信協議介紹

IEEE802.15.4/ZigBee屬于一類新型的近距離無線網絡通信協議，這項協議能夠滿足無線傳感網絡架構體系的功能需求，體現了可靠性高、功耗低的技術優勢，在無線傳感網絡架構體系中存在普遍有效的應用性。ZigBee通信協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定的邏輯線路提供具體服務。ZigBee協議通常是由物理層（PHY）、介質訪問控制層（MAC）、網絡層（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協議棧的結構圖。

3 無線傳感網絡的認知節點架構

在無線傳感網絡架構體系中從端點到端點的數據信息傳輸過程中，其直接涉及到無線傳感網絡協議棧中的各個通信元素，即為應用層、網絡層、MAC層、應用層以及無線傳感網絡架構中的數據信息流。所以在實現無線傳感網絡從端點到端點的數據信息傳輸過程中，目標數據流需要符合各種不同層級的數據傳輸功能，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化技術，無線傳感網絡架構體系的認知節點能夠實現相應的目標：⑴在異構模式的WSN環境中實現各種的應用功能；⑵符合物理層的功能標準，比如固定的 BER（誤碼率）或者維持特定的發送功率；⑶當節點不工作或改變角色時，能維持一定的網絡覆蓋和連通性要求；⑷承擔 MAC的部分職責，執行結構調度和信道接入功能。為不失一般性，可以修改現有的IEEE802.15.4/ZigBee協議棧和其他協議棧的結構，以實現具有認知能力的無線傳感器網絡，認知節點架構如圖2所示。

在無線傳感網絡架構的節點層級間引入認知通信技術，通過網絡架構中節點的相互作用，能夠在整個無線傳感網絡中引入相應的認知行為。這種無線傳感網絡架構有如下重要特點：認知決策引擎、知識庫、變化、監測引擎以及優化引擎等。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，這部分數據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。無線傳感網絡狀態主要是定位MAC與NWK層的通信變化，主要包含認知節點的狀態數據信息，從而將定位獲取的數據信息反饋到CME中。CME的主要功能是收集ZigBee協議棧各層級的數據信息，同時提供到CDME中，有利于認知相鄰網絡節點的信息狀況，并周期性地發送給CDME，以便于能夠及時地優化執行策略，使得整個無線傳感網絡架構體系的生命周期達到最大化目標。KB是無線網絡認知節點的數據信息倉庫，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在各種無線網絡通信條件下進行有效響應，從而可以提升無線傳感網絡的節點信息認知能力。CDME是整個認知過程的關鍵環節，其主要借助無線傳感網絡的狀態更新感應器、物理層以及應用層所能夠提供的有效數據信息，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化引擎，這通過無線傳感網絡的優勢將學習和優化過程相結合，從而實現功能優化的執行程序。

4 結語

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

參考文獻

[1]陳宏.淺議大數據時代背景下的無線電管理信息化創新之路[J].管理信息化，2015，1（1）.

[2]王華，趙東杰，楊海濤，等.大數據時代下網絡群體智能研究方法[J].計算機與現代化，2015（2）.

[3]郎為民，楊德鵬，李虎生.無線認知傳感器網絡研究[J].數據通信，2012，1（01）.

[4]丁雪蓮.ZigBee協議棧淺析[J].電腦與信息技術，2013，5（05）.

作者單位

運城職業技術學院 山西省運城市 044000