無線傳感器網(wǎng)絡體系結構研究

1 體系結構概述
無線傳感器網(wǎng)絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場，另外，還需定義外部網(wǎng)絡、遠程任務管理單元和用戶來完成對整個系統(tǒng)的應用刻畫，如圖1所示。大量傳感節(jié)點隨機部署，通過自組織方式構成網(wǎng)絡，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)本地簡單處理后通過鄰近傳感節(jié)點多跳傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務管理單元通過外部網(wǎng)絡，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡或Internet，與觀測節(jié)點進行交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。

傳感節(jié)點具有原始數(shù)據(jù)采集、本地信息處理、無線數(shù)據(jù)傳輸及與其它節(jié)點協(xié)同工作的能力，依據(jù)應用需求，還可能攜帶定位，能源補給或移動等模塊。節(jié)點可采用飛行器撒播、火箭彈射或人工埋置等方式部署。
目標是網(wǎng)絡感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。傳感節(jié)點通過目標的熱、紅外、聲納、雷達或震動等信號，獲取目標溫度、光強度、噪聲、壓力、運動方向或速度等屬性。傳感節(jié)點對感興趣目標的信息獲取范圍稱為該節(jié)點的感知視場，網(wǎng)絡中所有節(jié)點視場的集合稱為該網(wǎng)絡的感知視場。當傳感節(jié)點檢測到的目標信息超過設定閥值，需提交給觀測節(jié)點時，被稱為有效節(jié)點。
觀測節(jié)點具有雙重身份。一方面，在網(wǎng)內作為接收者和控制者，被授權監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡的事件消息和數(shù)據(jù)，可向傳感器網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求或派發(fā)任務；另一方面，面向網(wǎng)外作為中繼和網(wǎng)關完成傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡間信令和數(shù)據(jù)的轉換，是連接傳感器網(wǎng)絡與其它網(wǎng)絡的橋梁。通常假設觀測節(jié)點能力較強，資源充分或可補充。觀測節(jié)點有被動觸發(fā)和主動查詢兩種工作模式，前者被動地由傳感節(jié)點發(fā)出的感興趣事件或消息觸發(fā)，后者則周期掃描網(wǎng)絡和查詢傳感節(jié)點，較常用。

2 無線傳感器網(wǎng)絡物理體系結構
傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡采用“平坦”結構，部署在監(jiān)測區(qū)域中用于數(shù)據(jù)采集的微型傳感器節(jié)點同構，每個節(jié)點的計算能力、通信距離和能量供應相當。節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過多跳通信的方式，借助網(wǎng)絡內其他節(jié)點的轉發(fā)，將數(shù)據(jù)傳回到匯聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點與其他網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)遠程訪問和網(wǎng)絡查詢、管理。平坦結構的網(wǎng)絡雖然能夠工作，但隨著節(jié)點數(shù)量的增加，網(wǎng)絡覆蓋范圍的擴大，長的通信路徑將導致數(shù)據(jù)包丟失的概率增大，網(wǎng)絡性能下降，也會導致用于轉發(fā)數(shù)據(jù)的中間節(jié)點更多的能量消耗，降低網(wǎng)絡生存周期。根據(jù)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的特點，實際應用中一般采用異構節(jié)點組成的、層次化的網(wǎng)絡，如圖2所示。

無線傳感器網(wǎng)絡應用支撐層、無線傳感器網(wǎng)絡基礎設施和基于無線傳感器網(wǎng)絡應用業(yè)務層的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網(wǎng)絡中間件和平臺軟件。其基本含義是，應用支撐層支持應用業(yè)務層為各個應用領域服務，提供所需的各種通用服務，在這一層中核心的是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個層次的保障。無線傳感器網(wǎng)絡中間件和平臺軟件體系結構主要分為四個層次：網(wǎng)絡適配層、基礎軟件層、應用開發(fā)層和應用業(yè)務適配層，其中網(wǎng)絡適配層和基礎軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中)的體系結構，應用開發(fā)層和基礎軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡應用支撐結構(支持應用業(yè)務的開發(fā)與實現(xiàn))。網(wǎng)絡適配層：在網(wǎng)絡適配層中，網(wǎng)絡適配器是對無線傳感器網(wǎng)絡底層(無線傳感器網(wǎng)絡基礎設施、無線傳感器操作系統(tǒng))的封裝?；A軟件層：基礎軟件層包含無線傳感器網(wǎng)絡各種中間件。這些中間件構成無線傳感器網(wǎng)絡平臺軟件的公共基礎，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。
網(wǎng)絡中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡接入服務、網(wǎng)絡生成服務、網(wǎng)絡自愈合服務、網(wǎng)絡連通性服務等。
配置中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡的各種配置工作，例如路由配置，拓撲結構的調整等。
功能中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡各種應用業(yè)務的共性功能，提供各種功能框架接口。
管理中間件：為無線傳感器網(wǎng)絡應用業(yè)務實現(xiàn)各種管理功能，例如目錄服務，資源管理、能量管理、生命周期管理。
安全中間件：為無線傳感器網(wǎng)絡應用業(yè)務實現(xiàn)各種安全功能，例如安全管理、安全監(jiān)控、安全審計。
無線傳感器網(wǎng)絡中間件和平臺軟件采用層次化、模塊化的體系結構，使其更加適應無線傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)的要求，并用自身的復雜換取應用開發(fā)的簡單，而中間件技術能夠更簡單明了地滿足應用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網(wǎng)絡個性化應用的解決方案，形成一種特別適用的支撐環(huán)境；另一方面，中間件通過整合，使無線傳感器網(wǎng)絡應用只需面對一個可以解決問題的軟件平臺，因而以無線傳感器網(wǎng)絡中間件和平臺軟件的靈活性、可擴展性保證了無線傳感器網(wǎng)絡安全性，提高了無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理能力和能量效率，降低了應用開發(fā)的復雜性。

4 無線傳感器網(wǎng)絡通信體系結構
無線傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡技術，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡，傳感器網(wǎng)絡有以下一些特色，需要在體系結構的設計中特殊考慮。
(1)無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡的可擴展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點的數(shù)目多，開銷大,傳感器網(wǎng)絡通常不具備全球唯一的地址標識，這使得傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡而言有很大的簡化。
(2)自組織傳感器網(wǎng)絡最大的特點就是能量受限，傳感器節(jié)點受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡體系結構以及各層協(xié)議設計時，節(jié)能是設計的主要考慮目標之一。
(3)由于傳感器網(wǎng)絡應用的環(huán)境的特殊性，無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點，因此自組織網(wǎng)絡的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡的損壞不會影響全局任務的進行。
(4)傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡拓撲結構變化快。對于拓撲結構的維護也提出了挑戰(zhàn)。
根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡的需求設計適應自身特點的網(wǎng)絡體系結構，為網(wǎng)絡協(xié)議和算法的標準化提供統(tǒng)一的技術規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡通信體系結構如圖4所示，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層。而網(wǎng)絡管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務管理面，管理面的存在主要是用于協(xié)調不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設計。

(1)物理層
無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸介質可以是無線、紅外或者光介質。無線傳感器網(wǎng)絡主要使用無線傳輸。
(2)數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)流的多路復用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體接入和差錯控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了無線傳感器網(wǎng)絡內點到點和點到多點的連接。
媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議主要負責兩個職能。其一是網(wǎng)絡結構的建立。因為成千上萬個傳感器節(jié)點高密度地分布于待測地域，MAC層機制需要為數(shù)據(jù)傳輸提供有效的通信鏈路，并為無線通信的多跳傳輸和網(wǎng)絡的自組織特性提供網(wǎng)絡組織結構。其二是為傳感器節(jié)點有效合理地分配資源。
(3)網(wǎng)絡層
傳感器網(wǎng)絡節(jié)點高密度地分布于待測環(huán)境內或周圍，在傳感器網(wǎng)絡發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間需要特殊的多跳無線路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡的路由算法在設計時需要特別考慮能耗的問題。基于節(jié)能的路由有若干種，如最大有效功率(PA)路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳數(shù)路由、基于最大最小有效功率節(jié)點路由等。傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層的設計特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡中人們只關心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(wǎng)絡能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。
(4)傳輸層
無線傳感器網(wǎng)絡的計算資源和存儲資源都十分有限，而且通常數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大。因而，傳感器網(wǎng)絡是否需要傳輸層是一個問題。因特網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議 (TCP)是基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，其設計思想中基于屬性的命名對于傳感器網(wǎng)絡的擴展性并沒有太大的必要性，因此適合于傳感器網(wǎng)絡的傳輸層協(xié)議應該更類似于UDP協(xié)議。

5 結束語
傳感器網(wǎng)絡的體系結構受應用驅動。總的說來，靈活性、容錯性、高密度以及快速部署等傳感器網(wǎng)絡的特征為其帶來了許多新的應用、在未來，有許多廣闊的應用領域可以使傳感器網(wǎng)絡成為人們生活中的一個不可缺少的組成部分，實現(xiàn)這些和其他的傳感器網(wǎng)絡的應用需要自組織網(wǎng)絡技術。然而，傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡的技術并不能夠完全適應于傳感器網(wǎng)絡的應用。因此，充分認識和研究傳感器網(wǎng)絡自組織方式及傳感器網(wǎng)絡的體系結構，為網(wǎng)絡協(xié)議和算法的標準化提供理論依據(jù)，為設備制造商的實現(xiàn)提供參考，成為當前無線傳感器網(wǎng)絡研究領域中一項十分緊迫的任務。也只有從網(wǎng)絡體系結構的研究人手，帶動傳感器組織方式及通信技術的研究，才能更有力地推動這一具有戰(zhàn)略意義的新技術的研究和發(fā)展。