無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構研究

1 體系結構概述
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )包括4類(lèi)基本實(shí)體對象：目標、觀(guān)測節點(diǎn)傳感節點(diǎn)和感知視場(chǎng)，另外，還需定義外部網(wǎng)絡(luò )、遠程任務(wù)管理單元和用戶(hù)來(lái)完成對整個(gè)系統的應用刻畫(huà)，如圖1所示。大量傳感節點(diǎn)隨機部署，通過(guò)自組織方式構成網(wǎng)絡(luò )，協(xié)同形成對目標的感知視場(chǎng)。傳感節點(diǎn)檢測的目標信號經(jīng)本地簡(jiǎn)單處理后通過(guò)鄰近傳感節點(diǎn)多跳傳輸到觀(guān)測節點(diǎn)。用戶(hù)和遠程任務(wù)管理單元通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò )，比如衛星通信網(wǎng)絡(luò )或Internet，與觀(guān)測節點(diǎn)進(jìn)行交互。觀(guān)測節點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò )發(fā)布查詢(xún)請求和控制指令，接收傳感節點(diǎn)返回的目標信息。

傳感節點(diǎn)具有原始數據采集、本地信息處理、無(wú)線(xiàn)數據傳輸及與其它節點(diǎn)協(xié)同工作的能力，依據應用需求，還可能攜帶定位，能源補給或移動(dòng)等模塊。節點(diǎn)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(luò )感興趣的對象及其屬性，有時(shí)特指某類(lèi)信號源。傳感節點(diǎn)通過(guò)目標的熱、紅外、聲納、雷達或震動(dòng)等信號，獲取目標溫度、光強度、噪聲、壓力、運動(dòng)方向或速度等屬性。傳感節點(diǎn)對感興趣目標的信息獲取范圍稱(chēng)為該節點(diǎn)的感知視場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)視場(chǎng)的集合稱(chēng)為該網(wǎng)絡(luò )的感知視場(chǎng)。當傳感節點(diǎn)檢測到的目標信息超過(guò)設定閥值，需提交給觀(guān)測節點(diǎn)時(shí)，被稱(chēng)為有效節點(diǎn)。
觀(guān)測節點(diǎn)具有雙重身份。一方面，在網(wǎng)內作為接收者和控制者，被授權監聽(tīng)和處理網(wǎng)絡(luò )的事件消息和數據，可向傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)布查詢(xún)請求或派發(fā)任務(wù)；另一方面，面向網(wǎng)外作為中繼和網(wǎng)關(guān)完成傳感器網(wǎng)絡(luò )與外部網(wǎng)絡(luò )間信令和數據的轉換，是連接傳感器網(wǎng)絡(luò )與其它網(wǎng)絡(luò )的橋梁。通常假設觀(guān)測節點(diǎn)能力較強，資源充分或可補充。觀(guān)測節點(diǎn)有被動(dòng)觸發(fā)和主動(dòng)查詢(xún)兩種工作模式，前者被動(dòng)地由傳感節點(diǎn)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(luò )和查詢(xún)傳感節點(diǎn)，較常用。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )物理體系結構
傳統的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用“平坦”結構，部署在監測區域中用于數據采集的微型傳感器節點(diǎn)同構，每個(gè)節點(diǎn)的計算能力、通信距離和能量供應相當。節點(diǎn)采集的數據通過(guò)多跳通信的方式，借助網(wǎng)絡(luò )內其他節點(diǎn)的轉發(fā)，將數據傳回到匯聚節點(diǎn)，再通過(guò)匯聚節點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò )連接，實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)和網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)、管理。平坦結構的網(wǎng)絡(luò )雖然能夠工作，但隨著(zhù)節點(diǎn)數量的增加，網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍的擴大，長(cháng)的通信路徑將導致數據包丟失的概率增大，網(wǎng)絡(luò )性能下降，也會(huì )導致用于轉發(fā)數據的中間節點(diǎn)更多的能量消耗，降低網(wǎng)絡(luò )生存周期。根據IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，實(shí)際應用中一般采用異構節點(diǎn)組成的、層次化的網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用支撐層、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )基礎設施和基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用業(yè)務(wù)層的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分組成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(wù)層為各個(gè)應用領(lǐng)域服務(wù)，提供所需的各種通用服務(wù)，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(gè)層次的保障。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中間件和平臺軟件體系結構主要分為四個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò )適配層、基礎軟件層、應用開(kāi)發(fā)層和應用業(yè)務(wù)適配層，其中網(wǎng)絡(luò )適配層和基礎軟件層組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中)的體系結構，應用開(kāi)發(fā)層和基礎軟件層組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用支撐結構(支持應用業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現)。網(wǎng)絡(luò )適配層：在網(wǎng)絡(luò )適配層中，網(wǎng)絡(luò )適配器是對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )底層(無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )基礎設施、無(wú)線(xiàn)傳感器操作系統)的封裝?；A軟件層：基礎軟件層包含無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )各種中間件。這些中間件構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(luò )中間件：完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )接入服務(wù)、網(wǎng)絡(luò )生成服務(wù)、網(wǎng)絡(luò )自愈合服務(wù)、網(wǎng)絡(luò )連通性服務(wù)等。
配置中間件：完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )各種應用業(yè)務(wù)的共性功能，提供各種功能框架接口。
管理中間件：為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用業(yè)務(wù)實(shí)現各種管理功能，例如目錄服務(wù)，資源管理、能量管理、生命周期管理。
安全中間件：為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用業(yè)務(wù)實(shí)現各種安全功能，例如安全管理、安全監控、安全審計。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用系統的要求，并用自身的復雜換取應用開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單，而中間件技術(shù)能夠更簡(jiǎn)單明了地滿(mǎn)足應用的需要。一方面，中間件提供滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )個(gè)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(guò)整合，使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用只需面對一個(gè)可以解決問(wèn)題的軟件平臺，因而以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中間件和平臺軟件的靈活性、可擴展性保證了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )安全性，提高了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據管理能力和能量效率，降低了應用開(kāi)發(fā)的復雜性。

4 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信體系結構
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現需要自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò )，傳感器網(wǎng)絡(luò )有以下一些特色，需要在體系結構的設計中特殊考慮。
(1)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)數目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò )的可擴展性提出了要求，由于傳感器節點(diǎn)的數目多，開(kāi)銷(xiāo)大,傳感器網(wǎng)絡(luò )通常不具備全球唯一的地址標識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò )而言有很大的簡(jiǎn)化。
(2)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò )最大的特點(diǎn)就是能量受限，傳感器節點(diǎn)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(luò )體系結構以及各層協(xié)議設計時(shí)，節能是設計的主要考慮目標之一。
(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的環(huán)境的特殊性，無(wú)線(xiàn)信道不穩定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)受損的概率遠大于傳統網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò )的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò )的損壞不會(huì )影響全局任務(wù)的進(jìn)行。
(4)傳感器節點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構變化快。對于拓撲結構的維護也提出了挑戰。
根據以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò )需要根據用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )的需求設計適應自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )體系結構，為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和算法的標準化提供統一的技術(shù)規范，使其能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。無(wú)線(xiàn)傳感執行網(wǎng)絡(luò )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(luò )管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、應用層。而網(wǎng)絡(luò )管理面則可以劃分為能耗管理面、移動(dòng)性管理面以及任務(wù)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(dòng)性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設計。

(1)物理層
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳輸介質(zhì)可以是無(wú)線(xiàn)、紅外或者光介質(zhì)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )主要使用無(wú)線(xiàn)傳輸。
(2)數據鏈路層
數據鏈路層負責數據流的多路復用、數據幀檢測、媒體接入和差錯控制。數據鏈路層保證了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )內點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。
媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層協(xié)議主要負責兩個(gè)職能。其一是網(wǎng)絡(luò )結構的建立。因為成千上萬(wàn)個(gè)傳感器節點(diǎn)高密度地分布于待測地域，MAC層機制需要為數據傳輸提供有效的通信鏈路，并為無(wú)線(xiàn)通信的多跳傳輸和網(wǎng)絡(luò )的自組織特性提供網(wǎng)絡(luò )組織結構。其二是為傳感器節點(diǎn)有效合理地分配資源。
(3)網(wǎng)絡(luò )層
傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)高密度地分布于待測環(huán)境內或周?chē)?，在傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)送節點(diǎn)和接收節點(diǎn)之間需要特殊的多跳無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由算法在設計時(shí)需要特別考慮能耗的問(wèn)題?；诠澞艿穆酚捎腥舾煞N，如最大有效功率(PA)路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳數路由、基于最大最小有效功率節點(diǎn)路由等。傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )層的設計特色還體現在以數據為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò )中人們只關(guān)心某個(gè)區域的某個(gè)觀(guān)測指標的值，而不會(huì )去關(guān)心具體某個(gè)節點(diǎn)的觀(guān)測數據。而傳統網(wǎng)絡(luò )傳送的數據是和節點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來(lái)的，以數據為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠脫離傳統網(wǎng)絡(luò )的尋址過(guò)程，快速有效的組織起各個(gè)節點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶(hù)。
(4)傳輸層
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的計算資源和存儲資源都十分有限，而且通常數據傳輸量并不是很大。因而，傳感器網(wǎng)絡(luò )是否需要傳輸層是一個(gè)問(wèn)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(luò )的擴展性并沒(méi)有太大的必要性，因此適合于傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳輸層協(xié)議應該更類(lèi)似于UDP協(xié)議。

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