一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法，包括以下步骤：S1：一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法简称SSD，S2：假设：每个节点具有唯一的ID标示，S3：基于服务情景建立服务本体模型，本发明避免了无线传感器网络高昂的部署成本，并且能够在多种应用中共享、重复利用无线传感器网络的需求在不断增加的同时，具有很好的应对效果，该方法采用基于语义的服务发现机制，大大提高了无线传感器网络服务发现的查准率，其次，该方法除考虑服务本身外，还考虑了服务的节点属性和节点所处的环境属性，有效的改善了服务质量，总的来说，该方法不仅提高了服务发现的查准率，还改善了服务发现质量。
【专利说明】
一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法
技术领域
[0001]本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体为一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法。
【背景技术】
[0002]随着无线传感器网络应用范围的不断扩大，人们耗费巨资建成了大量的无线传感器网络，成本高昂，迫切需要共享节点提供的服务以提高无线传感器网络的应用价值。因而，如何在无线传感器网络中及时有效的发现并使用服务，是实现无线传感器网络实际应用的关键。而传统的服务发现方法并没有考虑无线传感器网络自身的特性，不适合在无线传感器网络中应用。
[0003]为了解决在无线传感器网络中的服务发现问题，近年来，学者们纷纷在该领域进行了深入的研究，现有技术下，提出了面向服务的体系结构、基于自适应的推拉模型、基于路由的服务发现机制和基于簇的服务发现机制，在面向服务的体系结构中，不同的组件被定义为一个服务，处理不同的功能，以用来支持不同的应用领域。在基于自适应的推拉模型中提出一种EADP服务发现方法，服务请求和服务响应都采用多播方式，该方法是一个完全分布式的方法，具有实现简单、低能耗的优点。基于路由的服务发现机制，其减少了节点的能量消耗，缩短了时延。基于簇的服务发现机制(CSDM)，该机制根据节点的服务请求和服务响应按照优先级级别进行传输，提高了服务发现的性能和系统的稳定性。
[0004]然而，上述服务发现方法普遍存在如下两方面的问题:首先，它们没有考虑语义，不能对服务进行准确的刻画，从而导致服务发现的查准率不高。其次，它们只是简单的考虑了服务本身，没有全面考虑服务情景，服务质量还有待于进一步改善，为此，我们提出一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法，以解决上述【背景技术】中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法，包括以下步骤:
[0007]S1: —种基于语义的无线传感器网络服务发现方法简称SSD，本网络模型的应用场景为:节点随机的分布在无线传感器网络区域内，节点可以在整个网络区域自由移动，网络中的节点按照区域划分成若干个簇，每个簇均有一个性能优良并且稳定性好的节点作为簇头;
[0008]S2:假设:每个节点具有唯一的ID标示，簇头组织该区域的服务发现功能，不管服务提供者是否发现，每个请求都会被簇头及时响应，节点之间的传输时延与节点之间的距离成正比；
[0009]S3:基于服务情景建立服务本体模型，在服务本体模型的基础上，给出服务的形式化定义；
[0010]定义1.服务
[0011]S=<SP，NP，EP> (I)
[0012]其中，SP表示服务属性，具体包括SN、SD和SF，SN表示服务名称，SD表示服务描述，SF表示采样频率，SP:
[0013]SP=<SN，SD，SF> (2)
[0014]NP表示节点属性，具体包括NE、NC、NS和NC0，NE表示剩余电量，NC表示计算能力，NS表示存储能力，NCO表示通信能力，即:
[0015]NP=<NE，NC，NS，NC0> (3)
[0016]EP表示环境属性，具体包括EL和ES，EL表示位置，ES表示网络状态，即:
[0017]EP=<EL，ES> (4)
[0018]S4:建立服务发现架构，服务发现架构主要包括服务平台、注册和服务发现三个模块，服务平台模块主要存储注册的服务信息，即服务属性、节点属性和节点所处的环境属性，以供服务发现模块调用，当服务发现模块接收到服务注册信息后，由解析器进行解析，然后交由注册模块完成注册过程，当服务发现模块接收到服务请求信息后，由服务匹配子模块执行匹配过程，最后向请求节点返回服务回复信息；
[0019]S5:服务提供节点将服务信息提供给自身所在簇的簇头节点来实现服务的注册过程，服务信息包括服务属性、节点属性和环境属性，如果成员节点和簇头节点均在双方的通信范围内，成员节点可以直接将服务信息提供给簇头节点，反之，如果成员节点和簇头节点不在双方的通信范围内，成员节点需要通过中间节点以多跳的方式来实现服务信息的发送，这样，簇头节点保存本簇成员注册的服务，并对注册的服务列表进行维护，如果一个成员节点离开一个簇加入另外一个簇，该节点需通知原来的簇头撤销该节点注册的服务，同时向新簇的簇头注册服务，这样保持了服务注册信息的一致性；
[0020]S6:在服务定义的基础上，给出服务请求的形式化定义，
[0021]定义2.服务请求
[0022]SREQ= < SPq, NPq, EPq > (5)
[0023]在公式(5)中，SREQ表示服务请求，SPQ表示请求的服务属性，NPQ表示请求的节点属性，EPQ表示请求的环境属性；
[0024]S7:定义3.服务回复
[0025]SREP= < SPp, Simp, Rp > (6)
[0026]在公式(6)中，SREP表示服务回复，SPP表示服务属性，SimP表示服务的相似度，RP为预留标示符，以应对未来的需要，比如设置位置感知信息，其默认值设置为O;
[0027]S8:定义4.服务相似度
[0028]SimS(S，SREQ) = a*Sim(SP，SPq) +β*Sim(NP，NPq) + γ *Sim(EP，EPq) (7)
[0029]在公式(7)中，SimS(S，SREQ)表示服务和服务请求的相似度，SimS(SP，SPQ)表示服务属性的相似度，其权重用α表示，SP和SPQ分别代表服务和服务请求的服务属性，SimS(NP，NPQ)表示节点属性的相似度，其权重用β表示，NP和NPQ分别代表服务和服务请求的节点属性，SimS(EP，EPQ)表示环境属性的相似度，其权重用γ表示，EP和EPQ分别代表服务和服务请求的环境属性，三个权重参数符合α+β+ γ =1；
[0030]S9:服务发现就是根据节点的服务请求快速、准确的找到所需的服务，如果某个节点需要一项服务，首先，在节点本身的服务描述中进行查找，如果没有找到所需的服务，就将服务请求发送至节点所在簇的簇头节点，启动一次服务发现过程；
[0031 ] SlO:簇头节点收到一个SREQ消息包后，通过解析器抽取得到服务请求的服务属性、节点属性和环境属性，进而和服务平台在注册过程中收集到的服务情景进行服务匹配，服务情景包括服务属性、节点属性和环境属性，计算出服务的相似度，求出服务的相似度级另IJ，最后，采用倒排序机制，选择相似度最高的服务本体进行匹配，如果找到所需的服务，就返回服务响应，如果没有找到所需的服务，就将服务请求转发给相邻的簇头进行查找，直到找到所需的服务并返回服务响应；
[0032]Sll:通过仿真分析的方法验证SSD服务发现方法的性能，采用OMNet++进行仿真分析，分别与EADP服务发现方法和CSDM服务发现方法进行性能比较；
[0033]S12:在仿真实验中，将网络拓扑范围设置为100mX 1000m，节点的传输半径设置为100m，节点的移动速度在lm/s?20m/s范围内随机给定，移动速度类似于人的步行速度和车辆的行驶速度，随机选择节点作为服务请求者或服务提供者，每个节点可以请求多个服务，多个节点也可以请求同一个服务，假设每个节点仅提供一种服务，节点数量以5个节点为增量在[5，30]范围内变化，分别仿真了查准率、时延、消息开销与节点数量的关系；
[0034]S13:EADP和CSDM服务发现方法的查准率比较低，查准率在63%以下，SSD服务发现方法的查准率均高于EADP和CSDM服务发现方法，随着节点数量的增加，EADP、CSDi^PSSDS种服务发现方法的时延均呈现上升趋势，消息传播经过的跳数增加，花费的时间开销也随之增大，EADP服务发现方法的时延最大，CSDM服务发现方法的时延最小，和CSDM服务发现方法相比，SSD服务发现方法的时延有所增加，EADP的消息数量最大，和EADP相比，CSDM服务发现方法和SSD服务发现方法的消息数量有所减少。
[0035]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明避免了无线传感器网络高昂的部署成本，并且能够在多种应用中共享、重复利用无线传感器网络的需求在不断增加的同时，具有很好的应对效果，该方法采用基于语义的服务发现机制，大大提高了无线传感器网络服务发现的查准率，其次，该方法除考虑服务本身外，还考虑了服务的节点属性和节点所处的环境属性，有效的改善了服务质量，总的来说，该方法不仅提高了服务发现的查准率，还改善了服务发现质量，通过仿真结果充分验证了 SSD服务发现方法的有效性。
【附图说明】
[0036]图1为本发明的服务本体结构示意图；
[0037]图2为本发明的服务发现结构示意图；
[0038]图3为本发明的服务发现的查准率与节点数量的关系示意图；
[0039]图4为本发明的时延与节点数量的关系示意图；
[0040]图5为本发明的消息数量与节点数量的关系示意图。
【具体实施方式】
[0041]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案:一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法，包括以下步骤:
[0043]S1: —种基于语义的无线传感器网络服务发现方法简称SSD，本网络模型的应用场景为:节点随机的分布在无线传感器网络区域内，节点可以在整个网络区域自由移动，网络中的节点按照区域划分成若干个簇，每个簇均有一个性能优良并且稳定性好的节点作为簇头；
[0044]S2:假设:每个节点具有唯一的ID标示，簇头组织该区域的服务发现功能，不管服务提供者是否发现，每个请求都会被簇头及时响应，节点之间的传输时延与节点之间的距离成正比；
[0045]S3:在无线传感器网络中，服务是由节点提供的，因此，在对服务进行本体建模时，不能简单的考虑服务属性本身，还要考虑提供服务的节点属性以及节点所处的网络环境属性。本体是概念的形式化的规范描述，为了刻画服务信息，采用本体来为服务建模，基于服务情景建立服务本体模型，在服务本体模型的基础上，给出服务的形式化定义；
[0046]定义1.服务
[0047]S=<SP，NP，EP> (I)
[0048]其中，SP表示服务属性，具体包括SN、SD和SF，SN表示服务名称，SD表示服务描述，SF表示采样频率，SP:
[0049]SP=<SN，SD，SF> (2)
[0050]NP表示节点属性，具体包括NE、NC、NS和NC0，NE表示剩余电量，NC表示计算能力，NS表示存储能力，NCO表示通信能力，即:
[0051]NP=<NE，NC，NS，NC0> (3)
[0052]EP表示环境属性，具体包括EL和ES，EL表示位置，ES表示网络状态，即:
[0053]EP=<EL，ES> (4)
[0054]S4:建立服务发现架构，服务发现架构主要包括服务平台、注册和服务发现三个模块，服务平台模块主要存储注册的服务信息，即服务属性、节点属性和节点所处的环境属性，以供服务发现模块调用，当服务发现模块接收到服务注册信息后，由解析器进行解析，然后交由注册模块完成注册过程，当服务发现模块接收到服务请求信息后，由服务匹配子模块执行匹配过程，最后向请求节点返回服务回复信息；
[0055]S5:服务提供节点将服务信息提供给自身所在簇的簇头节点来实现服务的注册过程，服务信息包括服务属性、节点属性和环境属性，如果成员节点和簇头节点均在双方的通信范围内，成员节点可以直接将服务信息提供给簇头节点，反之，如果成员节点和簇头节点不在双方的通信范围内，成员节点需要通过中间节点以多跳的方式来实现服务信息的发送，这样，簇头节点保存本簇成员注册的服务，并对注册的服务列表进行维护，如果一个成员节点离开一个簇加入另外一个簇，该节点需通知原来的簇头撤销该节点注册的服务，同时向新簇的簇头注册服务，这样保持了服务注册信息的一致性；
[0056]S6:在服务定义的基础上，给出服务请求的形式化定义，
[0057]定义2.服务请求
[0058]SREQ = < SPq，NPq，EPq > (5)
[0059]在公式(5)中，SREQ表示服务请求，SPQ表示请求的服务属性，NPQ表示请求的节点属性，EPQ表示请求的环境属性；
[0060]S7:定义3.服务回复
[0061 ] SREP= < SPp, Simp, Rp > (6)
[0062]在公式(6)中，SREP表示服务回复，SPP表示服务属性，SimP表示服务的相似度，RP为预留标示符，以应对未来的需要，比如设置位置感知信息，其默认值设置为O;
[0063]S8:定义4.服务相似度
[0064]SimS(S，SREQ) = a*Sim(SP，SPq) +β*Sim(NP，NPq) + γ *Sim(EP，EPq) (7)
[0065]在公式(7)中，SimS(S，SREQ)表示服务和服务请求的相似度，SimS(SP，SPQ)表示服务属性的相似度，其权重用α表示，SP和SPQ分别代表服务和服务请求的服务属性，SimS(NP，NPQ)表示节点属性的相似度，其权重用β表示，NP和NPQ分别代表服务和服务请求的节点属性，SimS(EP，EPQ)表示环境属性的相似度，其权重用γ表示，EP和EPQ分别代表服务和服务请求的环境属性，三个权重参数符合α+β+ γ =1；
[0066]S9:服务发现就是根据节点的服务请求快速、准确的找到所需的服务，如果某个节点需要一项服务，首先，在节点本身的服务描述中进行查找，如果没有找到所需的服务，就将服务请求发送至节点所在簇的簇头节点，启动一次服务发现过程；
[0067]S10:簇头节点收到一个SREQ消息包后，通过解析器抽取得到服务请求的服务属性、节点属性和环境属性，进而和服务平台在注册过程中收集到的服务情景进行服务匹配，服务情景包括服务属性、节点属性和环境属性，计算出服务的相似度，求出服务的相似度级另IJ，最后，采用倒排序机制，选择相似度最高的服务本体进行匹配，如果找到所需的服务，就返回服务响应，如果没有找到所需的服务，就将服务请求转发给相邻的簇头进行查找，直到找到所需的服务并返回服务响应；
[0068]Sll:通过仿真分析的方法验证SSD服务发现方法的性能，采用OMNet++进行仿真分析，分别与EADP服务发现方法和CSDM服务发现方法进行性能比较；
[0069]S12:在仿真实验中，将网络拓扑范围设置为100mX 1000m，节点的传输半径设置为100m，节点的移动速度在lm/s?20m/s范围内随机给定，移动速度类似于人的步行速度和车辆的行驶速度，随机选择节点作为服务请求者或服务提供者，每个节点可以请求多个服务，多个节点也可以请求同一个服务，假设每个节点仅提供一种服务，节点数量以5个节点为增量在[5，30]范围内变化，分别仿真了查准率、时延、消息开销与节点数量的关系；
[0070]S13:EADP和CSDM服务发现方法的查准率比较低，查准率在63%以下，SSD服务发现方法的查准率均高于EADP和CSDM服务发现方法，随着节点数量的增加，EADP、CSDi^PSSDS种服务发现方法的时延均呈现上升趋势，消息传播经过的跳数增加，花费的时间开销也随之增大，EADP服务发现方法的时延最大，CSDM服务发现方法的时延最小，和CSDM服务发现方法相比，SSD服务发现方法的时延有所增加，EADP的消息数量最大，和EADP相比，CSDM服务发现方法和SSD服务发现方法的消息数量有所减少。
[0071]EADP和CSDM服务发现方法的查准率比较低，查准率在63%以下，原因是由于自然语言描述的局限性，不能准确描述需要查询的目标。SSD服务发现方法的查准率比EADP和CSDM服务发现方法要高出很多，因为它引入了基于本体的语义信息，实现了语义推理机制。随着节点数量的增加，EADP、CSDM和SSD三种服务发现方法的时延均呈现上升趋势，因为无线传感器网络采用多跳的方式传输消息，随着节点数量增加，消息传播经过的跳数增加，花费的时间开销也随之增大。EADP服务发现方法的时延最大，这是因为EADP的服务请求和服务回复都采用多播机制，容易导致网络信道冲突。CSDM服务发现方法的时延最小，原因是CSDM服务发现方法利用簇头处理服务请求和服务回复信息，在一定程度上提高了服务发现效率，降低了时延。和CSDM服务发现方法相比，SSD服务发现方法的时延有所增加，原因是由于SSD服务发现方法在基于簇的基础上增加了语义推理，算法较为复杂。EADP的消息数量最大，这是因为EADP的服务请求和服务回复都采用多播机制，产生大量广播信息。和EADP相比，CSDM服务发现方法和SSD服务发现方法的消息数量有所减少，原因是这两种服务发现方法均引入了簇机制，避免了在网络范围内产生大量的广播信息。
[0072]本发明通过合理的架构设计，不仅提高了服务发现的查准率，还改善了服务发现质量，相比EADP和CSDM服务发现方法，本发明能够避免无线传感器网络高昂的部署成本，并且能够较为轻松的面对在多种应用中共享、重复利用无线传感器网络在不断增加的需求，通过语义推理机制，本发明能够突破自然语言的局限性，实现准确描述查询目标的目的，并且通过簇机制，避免了在网络范围内产生大量的广播信息，在可控成本和保证服务质量的情况下，提高该基于语义的无线传感器网络服务发现方法的应用效率。
[0073]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1.一种基于语义的无线传感器网络服务发现方法，其特征在于:包括以下步骤: S1: —种基于语义的无线传感器网络服务发现方法简称SSD，本网络模型的应用场景为:节点随机的分布在无线传感器网络区域内，节点可以在整个网络区域自由移动，网络中的节点按照区域划分成若干个簇，每个簇均有一个性能优良并且稳定性好的节点作为簇头; S2:假设:每个节点具有唯一的ID标示，簇头组织该区域的服务发现功能，不管服务提供者是否发现，每个请求都会被簇头及时响应，节点之间的传输时延与节点之间的距离成正比； S3:基于服务情景建立服务本体模型，在服务本体模型的基础上，给出服务的形式化定义； 定义1.服务 S=<SP，NP，EP> (I) 其中，SP表示服务属性，具体包括SN、SD和SF，SN表示服务名称，SD表示服务描述，SF表示采样频率，SP: SP=<SN，SD，SF> (2) NP表示节点属性，具体包括NE、NC、NS和NCO，NE表示剩余电量，NC表示计算能力，NS表示存储能力，NCO表示通信能力，即: NP=<NE，NC，NS，NC0> (3) EP表示环境属性，具体包括EL和ES，EL表示位置，ES表示网络状态，即: EP=<EL,ES> (4) S4:建立服务发现架构，服务发现架构主要包括服务平台、注册和服务发现三个模块，服务平台模块主要存储注册的服务信息，即服务属性、节点属性和节点所处的环境属性，以供服务发现模块调用，当服务发现模块接收到服务注册信息后，由解析器进行解析，然后交由注册模块完成注册过程，当服务发现模块接收到服务请求信息后，由服务匹配子模块执行匹配过程，最后向请求节点返回服务回复信息； S5:服务提供节点将服务信息提供给自身所在簇的簇头节点来实现服务的注册过程，服务信息包括服务属性、节点属性和环境属性，如果成员节点和簇头节点均在双方的通信范围内，成员节点可以直接将服务信息提供给簇头节点，反之，如果成员节点和簇头节点不在双方的通信范围内，成员节点需要通过中间节点以多跳的方式来实现服务信息的发送，这样，簇头节点保存本簇成员注册的服务，并对注册的服务列表进行维护，如果一个成员节点离开一个簇加入另外一个簇，该节点需通知原来的簇头撤销该节点注册的服务，同时向新簇的簇头注册服务，这样保持了服务注册信息的一致性； S6:在服务定义的基础上，给出服务请求的形式化定义， 定义2.服务请求SREQ= < SPq, NPq, EPq > (5) 在公式(5)中，SREQ表示服务请求，SPQ表示请求的服务属性，NPQ表示请求的节点属性，EPQ表示请求的环境属性； S7:定义3.服务回复 SREP= < SPp, Simp, Rp > (6) 在公式(6)中，SREP表示服务回复，SPP表示服务属性，SimP表示服务的相似度，RP为预留标示符，以应对未来的需要，比如设置位置感知信息，其默认值设置为O; S8:定义4.服务相似度 SimS(S，SREQ)=a*Sim(SP，SPQ)+0*Sim(NP，NPQ)+y*Sim(EP，EPQ) (7) 在公式(7)中，SimS(S，SREQ)表示服务和服务请求的相似度，SimS(SP，SPQ)表示服务属性的相似度，其权重用a表示，SP和SPQ分别代表服务和服务请求的服务属性，SimS(NP，NPQ)表示节点属性的相似度，其权重用β表示，NP和NPQ分别代表服务和服务请求的节点属性，SimS(EP，EPQ)表示环境属性的相似度，其权重用γ表示，EP和EPQ分别代表服务和服务请求的环境属性，三个权重参数符合α+β+ γ =1； S9:服务发现就是根据节点的服务请求快速、准确的找到所需的服务，如果某个节点需要一项服务，首先，在节点本身的服务描述中进行查找，如果没有找到所需的服务，就将服务请求发送至节点所在簇的簇头节点，启动一次服务发现过程； SlO:簇头节点收到一个SREQ消息包后，通过解析器抽取得到服务请求的服务属性、节点属性和环境属性，进而和服务平台在注册过程中收集到的服务情景进行服务匹配，服务情景包括服务属性、节点属性和环境属性，计算出服务的相似度，求出服务的相似度级别，最后，采用倒排序机制，选择相似度最高的服务本体进行匹配，如果找到所需的服务，就返回服务响应，如果没有找到所需的服务，就将服务请求转发给相邻的簇头进行查找，直到找到所需的服务并返回服务响应； SI 1:通过仿真分析的方法验证SSD服务发现方法的性能，采用OMNet++进行仿真分析，分别与EADP服务发现方法和CSDM服务发现方法进行性能比较； S12:在仿真实验中，将网络拓扑范围设置为100mX 1000m，节点的传输半径设置为100m，节点的移动速度在lm/s?20m/s范围内随机给定，移动速度类似于人的步行速度和车辆的行驶速度，随机选择节点作为服务请求者或服务提供者，每个节点可以请求多个服务，多个节点也可以请求同一个服务，假设每个节点仅提供一种服务，节点数量以5个节点为增量在[5，30]范围内变化，分别仿真了查准率、时延、消息开销与节点数量的关系； SI3:EADP和CSDM服务发现方法的查准率比较低，查准率在63%以下，SSD服务发现方法的查准率均高于EADP和CSDM服务发现方法，随着节点数量的增加，EADP、CSDM和SSD三种服务发现方法的时延均呈现上升趋势，消息传播经过的跳数增加，花费的时间开销也随之增大，EADP服务发现方法的时延最大，CSDM服务发现方法的时延最小，和CSDM服务发现方法相比，SSD服务发现方法的时延有所增加，EADP的消息数量最大，和EADP相比，CSDM服务发现方法和SSD服务发现方法的消息数量有所减少。
【文档编号】H04W84/18GK105847387SQ201610250087
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】王新颖, 王敏, 吴中博, 吴钊, 熊伟, 刘雨潇
【申请人】湖北文理学院