空間無線傳感網(wǎng)體系架構(gòu)及業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)探討

● 文|錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 王春鋒 李勇 周慶瑞

空間無線傳感網(wǎng)體系架構(gòu)及業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)探討

● 文|錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 王春鋒 李勇 周慶瑞

對地觀測系統(tǒng)已經(jīng)從單一平臺發(fā)展成為多星組網(wǎng)、多平臺、多傳感器的系統(tǒng)。攜帶傳感器的衛(wèi)星使用星間鏈路組成了一個空間無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)采集，并把傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸下載到地面站，這樣就形成了一個空間無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)。文章介紹了空間無線傳感網(wǎng)的傳感層、通信層、信息層三層體系架構(gòu)，傳感網(wǎng)SWE(Sensor Web Enablement)模型，探討了信息層業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程，闡述了基于SOAP協(xié)議架構(gòu)的信息層業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方法，提出了基于Restful Web協(xié)議架構(gòu)的信息層業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案，并比較了信息層兩種不同方案實(shí)現(xiàn)原理和性能，此外提出了通信層網(wǎng)絡(luò)傳輸移動管理改進(jìn)建議。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) 空間傳感網(wǎng) Web服務(wù)

一、 引言

攜帶傳感器的衛(wèi)星用于實(shí)現(xiàn)對地觀測、監(jiān)視和監(jiān)測，這些傳感器包括微波成像儀、可見光和紅外輻射儀等。衛(wèi)星傳感器采集的數(shù)據(jù)使用衛(wèi)星與地面站的專用通信鏈路，當(dāng)衛(wèi)星與地面站連通時自動定期下載到地面站。一般情況下傳感器采集的數(shù)據(jù)先緩沖在衛(wèi)星中，當(dāng)衛(wèi)星與地面站鏈路連通時才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但這樣就延遲了實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍?。這些衛(wèi)星通過星間鏈路進(jìn)行組網(wǎng)形成一種空間無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)[1-2]，通過空間無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)協(xié)同，可以減少實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍虻臅r延，這些攜帶傳感器的衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)后組成了一個空間無線傳感網(wǎng)。

空間無線傳感網(wǎng)由分布式部署在空間衛(wèi)星上的傳感節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)間可以通過星間鏈路相互通信、用于監(jiān)測和探測新環(huán)境。未來的空間信息網(wǎng)絡(luò)將包含大量的攜帶傳感器的空間無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)。在空間無線傳感網(wǎng)中，每當(dāng)一個衛(wèi)星與地面進(jìn)行連通時，其他的衛(wèi)星可以通過空間Adhoc網(wǎng)絡(luò)把實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c地面連通的衛(wèi)星，由它發(fā)送到地面，比等待自己直接與地面站進(jìn)行連通時再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸要更快。通過空間無線傳感網(wǎng)，分布在多個衛(wèi)星上的傳感器之間就可以通信，使各個衛(wèi)星上采集的傳感器可以共享，通過衛(wèi)星上各傳感器之間的知識共享，提高數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)和效率。

空間無線傳感網(wǎng)是目前研究的熱點(diǎn)，包括美國NASA在內(nèi)多個國家積極進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)[3-4]。本文首先分析空間無線傳感網(wǎng)的分層架構(gòu)，介紹了傳感網(wǎng)模型，說明了信息層業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程，把Restful Web軟件架構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用于業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于SOAP信封封裝的Web Service架構(gòu)，提升系統(tǒng)性能。

二、空間無線傳感網(wǎng)體系架構(gòu)

空間無線傳感網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1所示，它包括了傳感層、通信層和信息層。

圖1 空間無線傳感網(wǎng)體系架構(gòu)

1.傳感層

傳感層就是傳感器部署層。處在空間無線傳感網(wǎng)的最上層。一個傳感器是一種裝置，提供了在一個特定的物理量，一個可用的輸出特性。復(fù)雜的成千上萬的傳感器可提供廣泛的監(jiān)測。傳感器可分為現(xiàn)場或遠(yuǎn)程傳感器。遠(yuǎn)程傳感器提供更大的空間范圍應(yīng)用。

2.通信層

通信層是系統(tǒng)的第二層，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)和命令在傳感器層和信息層之間傳輸。通信層包括通信媒體、協(xié)議、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，這層可以是一個空間信息網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、無線網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)等。該層的配置取決于環(huán)境，特定業(yè)務(wù)服務(wù)的要求和限制。其中衛(wèi)星通信是連接傳感器的重要通信系統(tǒng)。

3.信息層

信息層是傳感器數(shù)據(jù)可存儲，傳播，交換，處理，顯示和分析的地方。傳感器資源包括各種傳感器；傳感器的位置；傳感器實(shí)時測量；傳感器控制；以及為用戶的應(yīng)用程序傳感器測量的輸入和其它相關(guān)的信息模型。信息層在數(shù)據(jù)傳輸、接入需求，數(shù)據(jù)的使用和數(shù)據(jù)用戶等方面具有巨大的多樣性。此外互操作性是傳感網(wǎng)信息層的關(guān)鍵技術(shù)。用戶應(yīng)該能夠無縫地訪問和易于使用傳感網(wǎng)資源。信息層應(yīng)該支持來自不同來源的數(shù)據(jù)組合和集成。

三、傳感網(wǎng)模型系統(tǒng)

傳感網(wǎng)采用SWE（Sensor Web Enablement）模型系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。目前發(fā)布時SWE2.0標(biāo)準(zhǔn)[5-9]。SWE2.0標(biāo)準(zhǔn)是在SWE1.0標(biāo)準(zhǔn)上的擴(kuò)展。SWE包括信息模型和功能模型兩個部分。

1.SWE信息模型

SWE信息模型如圖2所示。

圖2 SWE信息模型

SWE 2.0信息模型包括以下組件：

1）通用數(shù)據(jù)模型CDM（Common Data Model 2.0）：其作用是建立SWE 通用數(shù)據(jù)模型，為SWE其他標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，降低SWE 各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)數(shù)據(jù)模型描述的冗余程度。

2）觀測與測量O&M（Observation & Measurement 2.0）：為描述傳感觀測和測量數(shù)據(jù)提供通用模型和XML 編碼結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用SWE Common 2.0標(biāo)準(zhǔn)。

3）傳感器建模語言SML（Sensor Model Language 2.0）：為描述傳感器和傳感器觀測處理方法提供通用模型和XML編碼結(jié)構(gòu)；

4）事件模式標(biāo)記語言（Event Pattern Markup Language）：描述復(fù)雜的事件進(jìn)程。

2.SWE功能模型

SWE功能模型如圖3所示。

圖3 SWE功能模型

SWE 2.0功能模型包括以下組件：

1）SWE業(yè)務(wù)模型SM（Service Model 2.0）： 其作用是建立SWE業(yè)務(wù)模型，為SWE其他標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)模型，降低SWE各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)業(yè)務(wù)模型描述的冗余程度。SWES 2.0引入了繼承機(jī)制，其提供的通用服務(wù)包括傳感器的描述、更新、插入和刪除等方面;

2）傳感器調(diào)度業(yè)務(wù)SPS（Sensor Planning Service 2.0）： 其主要目的是實(shí)現(xiàn)傳感器調(diào)度的互操作，以服務(wù)的方式向用戶提供傳感器基本信息、傳感器觀測調(diào)度方法，判定傳感器觀測請求的可行性，調(diào)度傳感器執(zhí)行任務(wù)，以及更新任務(wù)執(zhí)行信息，調(diào)整、刪除傳感器觀測任務(wù)等。

3）傳感器觀測業(yè)務(wù)SOS（Sensor Observation Service2.0）： 其作用是響應(yīng)用戶的需求，請求、過濾和獲取傳感測量數(shù)據(jù)以及傳感系統(tǒng)信息。

4）傳感器事件業(yè)務(wù)SES（Sensor Event Service）： 其作用是根據(jù)給定的條件，判定來自傳感器的數(shù)據(jù)是否構(gòu)成事件，如構(gòu)成則觸發(fā)事件，根據(jù)相應(yīng)規(guī)則安排下一步進(jìn)程。

5）傳感器觀測注冊SOR（Sensor Observable Registry）：其作用是為管理傳感器元數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡(luò)接口，方便用戶對傳感器元數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和功能信息進(jìn)行管理。

6）傳感器實(shí)例注冊SIR（Sensor Instance Registry） ：其作用是為獲取觀測現(xiàn)象定義及不同觀測現(xiàn)象之間的語義信息提供網(wǎng)絡(luò)接口。

7）SPS2.0地球觀察衛(wèi)星任務(wù)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（Earth Observation Satellite Tasking Extension Standard specifies extensions）。

四、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

信息層業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)基于Web Service體系架構(gòu)[10-11]，傳統(tǒng)是基于SOAP協(xié)議架構(gòu)方案?；赟OAP協(xié)議架構(gòu)方案技術(shù)流程如圖4所示。服務(wù)請求者通過UDDI協(xié)議發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)；基于WSDL的Web Service描述語言提供業(yè)務(wù)描述；基于SOAP簡單對象訪問協(xié)議實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)請求；在Tomcat Web服務(wù)器上處理業(yè)務(wù)請求并注冊業(yè)務(wù)；計(jì)算結(jié)果通過輸出SOAP響應(yīng)，在Tomcat Web服務(wù)器上處理響應(yīng)；最終通過HTTP+SOAP實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，把集成服務(wù)提供給服務(wù)請求者。

圖4 信息層業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程

基于SOAP實(shí)現(xiàn)方案在業(yè)務(wù)請求中，將請求的所有內(nèi)容包括方法、作用域信息等全部裝入SOAP信封中，在將SOAP信封使用HTTP協(xié)議傳送到服務(wù)器端，服務(wù)器端收到后層層拆解，之后再提取信息參數(shù)，最后調(diào)用相關(guān)方法進(jìn)行操作，同樣將結(jié)果放入SOAP信封中，再經(jīng)過HTTP協(xié)議傳回到客戶端，客戶端收到響應(yīng)拆解信息進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)。

五、建議及改進(jìn)方案

空間無線傳感網(wǎng)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與空間傳感技術(shù)的綜合應(yīng)用，目前的研究還存在很多局限和不足，尤其在通信層的空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸和信息層業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化和改進(jìn)，下面給出一些深入研究建議和改進(jìn)方案：

（1）通信層實(shí)現(xiàn)方案改進(jìn)

通信層的核心是如何利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器數(shù)據(jù)，尤其如何高效把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲緮?shù)據(jù)處理中心。在衛(wèi)星圍繞地球的運(yùn)動過程中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面站的連接在不斷的切換，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面站之間連接斷開和重新連接在IP層需要實(shí)現(xiàn)移動管理和連接切換，傳統(tǒng)的方法是基于移動IP進(jìn)行連接管理實(shí)現(xiàn)切換時保持網(wǎng)絡(luò)通信的聯(lián)通性，但傳統(tǒng)方案切換時間長和切換效率底，將大大影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，對網(wǎng)絡(luò)的移動管理和切換協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)可以提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，建議采用目前正在研究的基于SIGMA無縫多址IP通用移動架構(gòu)協(xié)議，該協(xié)議是改善衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠行侄沃弧?/p>

（2）信息層實(shí)現(xiàn)方案改進(jìn)

傳統(tǒng)的基于SOAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)層技術(shù)方案分層清晰，但流程復(fù)雜，所以建議采用基于RESTful Web架構(gòu)的方案?；赗ESTful Web架構(gòu)方案不再進(jìn)行SOAP信封封裝，這個方案比傳統(tǒng)的基于SOAP協(xié)議的架構(gòu)更高效，其中HTTP 傳輸負(fù)載只包含XML描述，沒有任何附加SOAP信封協(xié)議的消息，從而技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程不僅簡化，而且性能有很大的提高?；赗ESTful Web架構(gòu)的信息封裝流程如圖5。應(yīng)用層業(yè)務(wù)通過資源URL描述，并表達(dá)為HTTP各種操作，使用XML語言，直接封裝在HTTP協(xié)議中傳輸。

圖5 基于Restful Web架構(gòu)的信息封裝

六、 結(jié)束語

空間無線傳感網(wǎng)是對地觀察系統(tǒng)的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。本文探討了空間無線傳感網(wǎng)的體系架構(gòu)，描述了空間無線傳感網(wǎng)的傳感層、通信層和信息層的三層系統(tǒng)架構(gòu)，以及傳感網(wǎng)SWE 2.0模型，分析了信息層基于Web Service架構(gòu)體系的SOAP協(xié)議業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程，提出了基于Restful Web協(xié)議架構(gòu)改進(jìn)建議，對SOAP協(xié)議架構(gòu)和Restful Web協(xié)議架構(gòu)原理和性能進(jìn)行了比較，并建議了通信層網(wǎng)絡(luò)傳輸移動管理方法改進(jìn)建議，可為空間無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供借鑒。

[1]K.Bhasin,J.L. Hayden,Space internet architectures and technologies for NASA enterprises, lnternational Journal of Satellite Communications, vol. 20, no. 5,pp. 311-332, Sep 2002.

[2]K.Hogie.Demonstration of internet technologies for space communication,The Second Space lnternet Workshop, Greenbelt, Maryland, May 21-22 2002.

[3]Ashley G Davies,Steve Chien, David McLaren. The NASA Volcano Sensor Web (VSW)： recent observations, activity and network Expansion, lAVCEl 2013.

[4]D.Mandl.Experimenting with sensor webs using earth observing, lEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT,pp. 176-183, 2004.

[5]Robin A.SWE common data model encoding standard 2.0,Open Geospatial Consortium，2011.

[6]Cox S.Observations and measurements—XML implementation 2.0.Open Geospatial Consortium，2010.

[7]Echterhoff J.SWE Service model implementation standard 2.0. Open Geospatial Consortium，2010.

[8]Simonis l，Echterhoff J.Sensor planning service implementation standard 2.0. Open Geospatial Consortium，2010.

[9]Robin A，Merigot P.Sensor planning service interface standard 2.0-earth observation satellite tasking extension 2.0. Open Geospatial Consortium，2011.

[10]Vretanos P. Web Feature Service lmplementation Specification V1.1,OGC Document OGC-04-094. 2004.

[11]Nebert D,Whiteside A.OpenGlS Catalog Service Specification 2.0,OGC Document 04-021r2, 2004.