基于移動(dòng)Agent的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理框架

0 引言

低功耗無線電通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、衛(wèi)星傳感器技術(shù)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟,使得大量低成本的衛(wèi)星傳感器通過無線鏈路自組織成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、自適應(yīng)性與容錯(cuò)性高等特點(diǎn),在軍事、工農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等許多重要領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大量傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）和少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）組成。位于監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息,最終將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的,其目標(biāo)是采集具有某種特征屬性的數(shù)據(jù),而不關(guān)心數(shù)據(jù)具體來源于哪個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。基于上述思想,數(shù)據(jù)庫研究者把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象為數(shù)據(jù)系統(tǒng),使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用相分離[2]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大、時(shí)效性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在能量、計(jì)算、存儲(chǔ)及通信能力方面存在局限性[3],所以良好的數(shù)據(jù)管理技術(shù)能夠提高傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知、采集、處理、發(fā)布數(shù)據(jù)信息的效率,進(jìn)而更好地確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性和有效性。

移動(dòng)agent是一種分布式計(jì)算技術(shù),具有很多優(yōu)點(diǎn)。本文提出個(gè)一種基于移動(dòng)agent技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理模式的框架,利用移動(dòng)agent不僅收集數(shù)據(jù)而且能夠處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn),減輕數(shù)據(jù)管理中心負(fù)載,克服了當(dāng)前數(shù)據(jù)管理方案的局限性。

1 移動(dòng)agent機(jī)制[4]

移動(dòng)agent是分布式計(jì)算技術(shù)和人工智能技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,本質(zhì)上是一個(gè)程序?qū)嶓w,擁有一定的智能和判斷能力,它可以自己的控制下,按照一定的規(guī)程在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間遷移,尋找并處理合適的資源,代表用戶完成特定的任務(wù)。agent在一個(gè)執(zhí)行環(huán)境中被創(chuàng)建后,能夠攜帶自身狀態(tài)和代碼在網(wǎng)絡(luò)中遷移到另一個(gè)環(huán)境中恢復(fù)執(zhí)行。

移動(dòng)agent的特性主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

a）自主性：agent一旦被初始化便可獨(dú)立執(zhí)行,無需后來的直接干預(yù),agent控制自身的內(nèi)部狀態(tài)和外部行為,也可以被授權(quán)做出某種決定,完成相關(guān)的任務(wù)。

b）反應(yīng)性：agent能感知和作用于其所處的環(huán)境,對環(huán)境的變化能做出及時(shí)的響應(yīng),這些環(huán)境可以是物理的世界、使用圖形接口的用戶、其他agent集合或所有這些的組合。

c）能動(dòng)性：agent不僅能對所處環(huán)境做出響應(yīng),還能主動(dòng)展現(xiàn)面向目標(biāo)的行為。

d）通信性：agent之間的交互隨任務(wù)驅(qū)動(dòng)的變化而進(jìn)行調(diào)整,彼此協(xié)作完成復(fù)雜的任務(wù)。

e）移動(dòng)性：agent可在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上隨時(shí)、自主地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間遷移,正在運(yùn)行中的agent狀態(tài)可以被存儲(chǔ)且傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn),且中止agent程序可以被恢復(fù)執(zhí)行。

2 數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)

目前,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理大多采用近似客戶/服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理模式[5],可分為集中式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)兩種。

集中式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是感知數(shù)據(jù)的處理和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問是相對獨(dú)立的,各傳感器節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳后路由至匯聚中心或服務(wù)器處理,網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理決策由處理中心負(fù)責(zé),這種方法很簡單,但是由于所有傳感器的數(shù)據(jù)都要求傳送到中心處理節(jié)點(diǎn),通信開銷很大,使用范圍較小。

分布式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)又稱網(wǎng)內(nèi)處理結(jié)構(gòu)�？紤]到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模分布,大量冗余信息傳輸可能造成的能耗損失及較大的通信開銷,因此分布式數(shù)據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中部分傳感器節(jié)點(diǎn)除負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)外,還負(fù)責(zé)部分的數(shù)據(jù)管理任務(wù),如執(zhí)行聚集操作等。

3 基于移動(dòng)agent的數(shù)據(jù)管理框架

在支撐傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際數(shù)據(jù)服務(wù)環(huán)境中,上述體系結(jié)構(gòu)在占用網(wǎng)絡(luò)帶寬、負(fù)載平衡以及因節(jié)點(diǎn)失效而動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)處理策略等方面尚存在不足[6]。

基于移動(dòng)agent的數(shù)據(jù)管理思想是利用agent將網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)駐留在獲取它的節(jié)點(diǎn)上,通過agent或計(jì)算引擎將特定信息需求的代碼及狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò)中傳播與處理,并將最終的信息返回給數(shù)據(jù)管理中心（匯聚節(jié)點(diǎn)或中心服務(wù)器）。

基于移動(dòng)agent的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。