[发明专利]基于应用语义的无线传感器网络跨应用层MAC设计方法

说明书

（一）技术领域

本发明涉及无线传感器网络MAC技术以及语义处理技术，属于无线传感器网络语义通信领域。

（二）背景技术

现有无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)由大量微小的传感器节点密集分布组成自组织网络，节点采用电池供电，因此能耗有效性是WSN最基本的要求。MAC技术是网络的核心技术之一，因此WSN中MAC首先要考虑的是节能问题。目前研究提出了大量的MAC算法，例如具有代表性的Sensor-MAC(S-MAC)、WiseMAC和Timeout-MAC(T-MAC)等，这些技术的核心思想是通过控制节点休眠或减少传输碰撞来达到节能的效果。为进一步提高能耗等性能，研究提出了物理层、路由层等的跨层MAC算法，例如典型的LESOP、ECPS和E2LA算法。这些算法都是以传统网络的端到端的数据传输为基础。节点传输和处理的对象或单元是网络中的数据。另外，由于传统网络只传输而不采集数据，因此传输中并不了解数据的含义。这也使得在传统网络协议的跨层设计中考虑的最高层只能达到传输控制层。

WSN区别于其它网络的基本特征是面向具体应用，节点同时采集、处理和传输信息。同时WSN的另一个特点是大量节点密集分布，节点采集的信息具有较大的冗余度。为此，人们提出了采用利用空间相关性CC-MAC算法；在多个节点中选择部分节点发送的sift算法；以及基于数据融合AIDA方法等等。然而，这些算法针对数据进行传输和处理，没有充分考虑到WSN面向具体应用的基本特征。目前尚未见从MAC的角度出发直接对应用层进行处理，从而实现跨应用层的WSN MAC算法。

（三）发明内容

本发明的目的是提供一种跨应用层的WSN的MAC技术实现的框架结构，以及应用层的语义处理和通信控制过程。

本发明基于WSN面向具体应用的特征，采用语义描述的方法直接描述WSN的具体应用，并通过语义推理从应用的角度来控制MAC的信息传输，实现跨应用层的MAC综合设计。本发明直接将应用而不是数据作为网络节点的传输和处理对象，从而最大限度地减少网络中不必要信息传输，显著地降低网络能耗，进而提高了网络传输时延等其它性能指标。与相同的MAC如IEEE802.11及S-MAC相比，将其与应用层结合得到的相应的MAC的能耗下降20%以上。本发明提供的框架结构和应用层的处理可以和任何已有的WSN的MAC算法结合，得到相应的跨应用层的MAC算法，以满足不同的应用场合和要求。

本发明采用了图1中提供的四层结构实现跨应用层的MAC机制，其中对WSN应用的语义处理采用了图2中上面的三层结构。

首先，针对WSN的具体应用，从时间、空间以及物理量（节点感应采集的信息，例如温度、湿度信息等）三个方面，采用SensorML语言进行描述和标注，得到基本的应用概念的表示。若存在不可相互替代的多个观察的物理量例如温度、湿度、风速则采用并行结构排列表示，图3提供了相应的数据组成结构。

其次，根据具体应用的内在关系，定义应用数据的本体关系，即前面所标注得到的概念之间的关系，并采用RDF和OWL语言对本体建模。例如，对一个测量风速节点，物理量序列数据就只有风速；而对抽象的天气状况数据，物理量序列数据有多个物理参量联合表示的天气状况。而天气状况如何定义，如何由此多个物理参量表示，各参量的相互关系如何，则由本体层根据应用的内在关系进行描述表示。

再次，逻辑层根据本体层提供的概念和关系定义与具体应用相关的推理运算规则，进行推理判断，为此需要确定推理运算的规则。本发明涉及到三类推理规则，分别是一般规则、面向应用的规则和传输控制规则。一般规则包括基本的数学运算（如加、减、乘、除）、逻辑运算（如存在、任一等）布尔运算（如与、非、或和异或等），类关系（类属，等价和分类等）。面向应用的规则是根据应用的具体内容确定运算推理规则。传输控制规则是直接控制MAC操作的规则。

最后，应用判断规则，依据应用的本身规律进行推理判断。例如判断是否出现暴风雪需要温度、湿度、风速等信息，依据气象学的原理来判断。另外，基于网络节点的实际布设和节点应用的属性关系，进行运算、推理和判断，得到相应的结果以实现应用层对MAC控制。本发明应用的场合为节点密集分布，节点应用具有凸性属性例如节点采集信息的区域为凸性平面。

本发明的有益效果是：

1.通过语义描述和处理的方式，将WSN的应用作为网络节点处理和传输的单元，使得节点对信息的处理直接针对具体应用，消除了网络节点和sink汇聚点传输处理对象不一致的问题。为显著提高网络性能奠定了网络结构性的基础。