空间无线传感网体系架构及业务实现探讨

● 文|钱学森空间技术实验室 王春锋 李勇 周庆瑞

空间无线传感网体系架构及业务实现探讨

● 文|钱学森空间技术实验室 王春锋 李勇 周庆瑞

对地观测系统已经从单一平台发展成为多星组网、多平台、多传感器的系统。携带传感器的卫星使用星间链路组成了一个空间无线Ad Hoc网络，实现科学数据采集，并把传感器采集的数据传输下载到地面站，这样就形成了一个空间无线传感网系统。文章介绍了空间无线传感网的传感层、通信层、信息层三层体系架构，传感网SWE(Sensor Web Enablement)模型，探讨了信息层业务实现技术流程，阐述了基于SOAP协议架构的信息层业务实现方法，提出了基于Restful Web协议架构的信息层业务实现优化方案，并比较了信息层两种不同方案实现原理和性能，此外提出了通信层网络传输移动管理改进建议。

卫星网络 空间传感网 Web服务

一、 引言

携带传感器的卫星用于实现对地观测、监视和监测，这些传感器包括微波成像仪、可见光和红外辐射仪等。卫星传感器采集的数据使用卫星与地面站的专用通信链路，当卫星与地面站连通时自动定期下载到地面站。一般情况下传感器采集的数据先缓冲在卫星中，当卫星与地面站链路连通时才进行数据传输，但这样就延迟了实时数据传输到地球。这些卫星通过星间链路进行组网形成一种空间无线Ad hoc网络[1-2]，通过空间无线Ad hoc网络的数据协同，可以减少实时数据传输到地球的时延，这些携带传感器的卫星联网后组成了一个空间无线传感网。

空间无线传感网由分布式部署在空间卫星上的传感节点组成，节点间可以通过星间链路相互通信、用于监测和探测新环境。未来的空间信息网络将包含大量的携带传感器的空间无线传感网系统。在空间无线传感网中，每当一个卫星与地面进行连通时，其他的卫星可以通过空间Adhoc网络把实时数据传输到与地面连通的卫星，由它发送到地面，比等待自己直接与地面站进行连通时再进行数据传输要更快。通过空间无线传感网，分布在多个卫星上的传感器之间就可以通信，使各个卫星上采集的传感器可以共享，通过卫星上各传感器之间的知识共享，提高数据采集之间的协调和效率。

空间无线传感网是目前研究的热点，包括美国NASA在内多个国家积极进行研究和实验[3-4]。本文首先分析空间无线传感网的分层架构，介绍了传感网模型，说明了信息层业务实现技术流程，把Restful Web软件架构系统应用于业务实现，代替传统的基于SOAP信封封装的Web Service架构，提升系统性能。

二、空间无线传感网体系架构

空间无线传感网体系架构如图1所示，它包括了传感层、通信层和信息层。

图1 空间无线传感网体系架构

1.传感层

传感层就是传感器部署层。处在空间无线传感网的最上层。一个传感器是一种装置，提供了在一个特定的物理量，一个可用的输出特性。复杂的成千上万的传感器可提供广泛的监测。传感器可分为现场或远程传感器。远程传感器提供更大的空间范围应用。

2.通信层

通信层是系统的第二层，实现控制数据和命令在传感器层和信息层之间传输。通信层包括通信媒体、协议、拓扑结构等，这层可以是一个空间信息网络、卫星、无线网络、地面网络等。该层的配置取决于环境，特定业务服务的要求和限制。其中卫星通信是连接传感器的重要通信系统。

3.信息层

信息层是传感器数据可存储，传播，交换，处理，显示和分析的地方。传感器资源包括各种传感器；传感器的位置；传感器实时测量；传感器控制；以及为用户的应用程序传感器测量的输入和其它相关的信息模型。信息层在数据传输、接入需求，数据的使用和数据用户等方面具有巨大的多样性。此外互操作性是传感网信息层的关键技术。用户应该能够无缝地访问和易于使用传感网资源。信息层应该支持来自不同来源的数据组合和集成。

三、传感网模型系统

传感网采用SWE（Sensor Web Enablement）模型系统标准。目前发布时SWE2.0标准[5-9]。SWE2.0标准是在SWE1.0标准上的扩展。SWE包括信息模型和功能模型两个部分。

1.SWE信息模型

SWE信息模型如图2所示。

图2 SWE信息模型

SWE 2.0信息模型包括以下组件：

1）通用数据模型CDM（Common Data Model 2.0）：其作用是建立SWE 通用数据模型，为SWE其他标准提供统一的数据模型，降低SWE 各项标准有关数据模型描述的冗余程度。

2）观测与测量O&M（Observation & Measurement 2.0）：为描述传感观测和测量数据提供通用模型和XML 编码结构，其数据结构采用SWE Common 2.0标准。

3）传感器建模语言SML（Sensor Model Language 2.0）：为描述传感器和传感器观测处理方法提供通用模型和XML编码结构；

4）事件模式标记语言（Event Pattern Markup Language）：描述复杂的事件进程。

2.SWE功能模型

SWE功能模型如图3所示。

图3 SWE功能模型

SWE 2.0功能模型包括以下组件：

1）SWE业务模型SM（Service Model 2.0）： 其作用是建立SWE业务模型，为SWE其他标准提供统一的业务模型，降低SWE各项标准有关业务模型描述的冗余程度。SWES 2.0引入了继承机制，其提供的通用服务包括传感器的描述、更新、插入和删除等方面;

2）传感器调度业务SPS（Sensor Planning Service 2.0）： 其主要目的是实现传感器调度的互操作，以服务的方式向用户提供传感器基本信息、传感器观测调度方法，判定传感器观测请求的可行性，调度传感器执行任务，以及更新任务执行信息，调整、删除传感器观测任务等。

3）传感器观测业务SOS（Sensor Observation Service2.0）： 其作用是响应用户的需求，请求、过滤和获取传感测量数据以及传感系统信息。

4）传感器事件业务SES（Sensor Event Service）： 其作用是根据给定的条件，判定来自传感器的数据是否构成事件，如构成则触发事件，根据相应规则安排下一步进程。

5）传感器观测注册SOR（Sensor Observable Registry）：其作用是为管理传感器元数据提供网络接口，方便用户对传感器元数据、状态信息和功能信息进行管理。

6）传感器实例注册SIR（Sensor Instance Registry） ：其作用是为获取观测现象定义及不同观测现象之间的语义信息提供网络接口。

7）SPS2.0地球观察卫星任务扩展标准规范（Earth Observation Satellite Tasking Extension Standard specifies extensions）。

四、业务实现关键技术

信息层业务的实现基于Web Service体系架构[10-11]，传统是基于SOAP协议架构方案。基于SOAP协议架构方案技术流程如图4所示。服务请求者通过UDDI协议发现业务；基于WSDL的Web Service描述语言提供业务描述；基于SOAP简单对象访问协议实现业务请求；在Tomcat Web服务器上处理业务请求并注册业务；计算结果通过输出SOAP响应，在Tomcat Web服务器上处理响应；最终通过HTTP+SOAP实现响应，把集成服务提供给服务请求者。

图4 信息层业务实现技术流程

基于SOAP实现方案在业务请求中，将请求的所有内容包括方法、作用域信息等全部装入SOAP信封中，在将SOAP信封使用HTTP协议传送到服务器端，服务器端收到后层层拆解，之后再提取信息参数，最后调用相关方法进行操作，同样将结果放入SOAP信封中，再经过HTTP协议传回到客户端，客户端收到响应拆解信息进行结果呈现。

五、建议及改进方案

空间无线传感网是卫星网络与空间传感技术的综合应用，目前的研究还存在很多局限和不足，尤其在通信层的空间网络数据优化传输和信息层业务实现的优化和改进，下面给出一些深入研究建议和改进方案：

（1）通信层实现方案改进

通信层的核心是如何利用卫星网络传输传感器数据，尤其如何高效把数据传输到地面站数据处理中心。在卫星围绕地球的运动过程中，卫星网络与地面站的连接在不断的切换，卫星网络与地面站之间连接断开和重新连接在IP层需要实现移动管理和连接切换，传统的方法是基于移动IP进行连接管理实现切换时保持网络通信的联通性，但传统方案切换时间长和切换效率底，将大大影响网络的传输性能，对网络的移动管理和切换协议进行改进可以提高网络的传输效率，建议采用目前正在研究的基于SIGMA无缝多址IP通用移动架构协议，该协议是改善卫星网络传输的有效手段之一。

（2）信息层实现方案改进

传统的基于SOAP协议实现的业务层技术方案分层清晰，但流程复杂，所以建议采用基于RESTful Web架构的方案。基于RESTful Web架构方案不再进行SOAP信封封装，这个方案比传统的基于SOAP协议的架构更高效，其中HTTP 传输负载只包含XML描述，没有任何附加SOAP信封协议的消息，从而技术实现流程不仅简化，而且性能有很大的提高。基于RESTful Web架构的信息封装流程如图5。应用层业务通过资源URL描述，并表达为HTTP各种操作，使用XML语言，直接封装在HTTP协议中传输。

图5 基于Restful Web架构的信息封装

六、 结束语

空间无线传感网是对地观察系统的发展方向和研究热点。本文探讨了空间无线传感网的体系架构，描述了空间无线传感网的传感层、通信层和信息层的三层系统架构，以及传感网SWE 2.0模型，分析了信息层基于Web Service架构体系的SOAP协议业务实现技术流程，提出了基于Restful Web协议架构改进建议，对SOAP协议架构和Restful Web协议架构原理和性能进行了比较，并建议了通信层网络传输移动管理方法改进建议，可为空间无线传感网系统设计和应用提供借鉴。

[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.