无线传感网络的认知节点架构分析

吕龙龙

摘 要 在大数据的信息环境下，基于无线传感网络的理论认知概念，在传感网络体系的认知节点通过对协议栈进行改进，构建与传统模式无线传感网络存在差异的认知节点架构体系具有实际意义。这个认知节点架构体系通过对无线传感网络的认知特征与传感网络的组织特性，逐渐改建无线传感网络的数据信息传送功能，从而能够符合在大数据环境下实现无交互功能的数据传输目的。对于ZigBee协议栈的通信基础上引入认知节点架构体系，对无线传感网络节点架构的结构、功能以及设计方案进行系统描述。

【关键词】无线 网络 节点

互联网技术能够为大数据环境提供庞大的数据信息量，而无线传感网络体系属于一种收集缺乏数据信息交互能力的底层技术实现模式。针对一系列复杂并且实现集合化的数据信息收集，比如地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度以及方向等物理量，无线传感网络架构体系的认知节点，即实现无线传感器的有效功能。通过对无线传感网络架构体系对数据的收集与传递功能，毋庸置疑会直接扩展大数据功能实现的数据信息源。无线传感网络认知节点是功能的数据监测者，收集被感知对象的数据信息后能够及时反馈到监测人员。无线传感网络通信技术是人们收集环境信息非常有效的方式，在军事、航空、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等各种行业领域都能够充分发挥出重大功能。

1 无线传感网络的特点

无线传感器网络的特点有以下若干方面：

（1）无线传感网络架构的认知节点密度、数量大，各个认知节点能够用作传感器，同时能够用于路由节点；

（2）无线传感网络架构体系认知节点的计算与存储功能比较有限；

（3）无线传感网络架构体系节点的体积能量非常有限；

（4）数据通信能力比较有限，无线传感网络体系的带宽范围相对较窄，通信节点之间的通信单跳距离一般只有几到几百米；

（5）拥有独特的底层通信传输媒介；

（6）各个无线传感网络节点位置进行随机分布选择，节点相互之间无中心、自组织、多跳通信的特点；

（7）功能同时通过多条信源--信宿路由传输数据；

（8）无线传感网络架构体系具有较好的鲁棒性与优越的伸缩性。

2 ZigBee通信协议介绍

IEEE802.15.4/ZigBee属于一类新型的近距离无线网络通信协议，这项协议能够满足无线传感网络架构体系的功能需求，体现了可靠性高、功耗低的技术优势，在无线传感网络架构体系中存在普遍有效的应用性。ZigBee通信协议的架构体系结构一般是通过层的概念量化各种具体的认知标准，各层对应着既定的通信任务，同时逐步向上层提供通信服务。各层级相互之间的架构体系通过所规定的逻辑线路提供具体服务。ZigBee协议通常是由物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）以及安全服务层（SSP）等直接构成。其中PHY与MAC层级的标准是由IEEE802.15.4标准定义MAC层之上的NWK层、APL层、SSP层是由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL层是由应用支持层（APS）、 应用框架（AF）、ZigBee设备对象（ZDO）以及ZDO管理平台所直接构成。图1是ZigBee协议栈的结构图。

3 无线传感网络的认知节点架构

在无线传感网络架构体系中从端点到端点的数据信息传输过程中，其直接涉及到无线传感网络协议栈中的各个通信元素，即为应用层、网络层、MAC层、应用层以及无线传感网络架构中的数据信息流。所以在实现无线传感网络从端点到端点的数据信息传输过程中，目标数据流需要符合各种不同层级的数据传输功能，同时各层级之间不能够存在冲突情况。通过使用具有学习和推理能力的认知技术与智能优化技术，无线传感网络架构体系的认知节点能够实现相应的目标：⑴在异构模式的WSN环境中实现各种的应用功能；⑵符合物理层的功能标准，比如固定的 BER（误码率）或者维持特定的发送功率；⑶当节点不工作或改变角色时，能维持一定的网络覆盖和连通性要求；⑷承担 MAC的部分职责，执行结构调度和信道接入功能。为不失一般性，可以修改现有的IEEE802.15.4/ZigBee协议栈和其他协议栈的结构，以实现具有认知能力的无线传感器网络，认知节点架构如图2所示。

在无线传感网络架构的节点层级间引入认知通信技术，通过网络架构中节点的相互作用，能够在整个无线传感网络中引入相应的认知行为。这种无线传感网络架构有如下重要特点：认知决策引擎、知识库、变化、监测引擎以及优化引擎等。具有映射到CDME的PHY是指物理层的输入信息能及时反馈到CME，这部分数据信息主要包括路径损耗、信道衰减特性、信道可用性和容量消耗等，在决策过程中具有关键作用。无线传感网络状态主要是定位MAC与NWK层的通信变化，主要包含认知节点的状态数据信息，从而将定位获取的数据信息反馈到CME中。CME的主要功能是收集ZigBee协议栈各层级的数据信息，同时提供到CDME中，有利于认知相邻网络节点的信息状况，并周期性地发送给CDME，以便于能够及时地优化执行策略，使得整个无线传感网络架构体系的生命周期达到最大化目标。KB是无线网络认知节点的数据信息仓库，主要包括终端用户需求的预编程输入。这部分输入将有助于CDME在各种无线网络通信条件下进行有效响应，从而可以提升无线传感网络的节点信息认知能力。CDME是整个认知过程的关键环节，其主要借助无线传感网络的状态更新感应器、物理层以及应用层所能够提供的有效数据信息，结合在信息知识库中的具体有效信息，将其转变成为可行的知识优化引擎，这通过无线传感网络的优势将学习和优化过程相结合，从而实现功能优化的执行程序。

4 结语

根据大数据的性能特点对无线传感网络的节点架构体系进行分析研究，提出能够满足大数据性能要求的节点架构体系，分析以协议栈层为基础的构造模式，这类新型节点技术具备的新型特点进行系统概述，基于无线传感网络的节点之间数据信息传输特征的系统认识， 不断改进无线传感网络通信技术的理论系统。

参考文献

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作者单位

運城职业技术学院 山西省运城市 044000