無線傳感器網絡體系結構研究

4 無線傳感器網絡通信體系結構
無線傳感器網絡的實現需要自組織網絡技術，相對于一般意義上的自組織網絡，傳感器網絡有以下一些特色，需要在體系結構的設計中特殊考慮。
(1)無線傳感器網絡中的節(jié)點數目眾多，這就對傳感器網絡的可擴展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點的數目多，開銷大,傳感器網絡通常不具備全球唯一的地址標識，這使得傳感器網絡的網絡層和傳輸層相對于一般網絡而言有很大的簡化。
(2)自組織傳感器網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，傳感器網絡節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網絡節(jié)點，因此自組織網絡的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網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)。
根據以上特性分析，傳感器網絡需要根據用戶對網絡的需求設計適應自身特點的網絡體系結構，為網絡協(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絡管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層。而網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
無線傳感器網絡的傳輸介質可以是無線、紅外或者光介質。無線傳感器網絡主要使用無線傳輸。
(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線傳感器網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層機制需要為數據傳輸提供有效的通信鏈路，并為無線通信的多跳傳輸和網絡的自組織特性提供網絡組織結構。其二是為傳感器節(jié)點有效合理地分配資源。
(3)網絡層
傳感器網絡節(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、基于最小跳數路由、基于最大最小有效功率節(jié)點路由等。傳感器網絡的網絡層的設計特色還體現在以數據為中心。在傳感器網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)點的觀測數據。而傳統(tǒng)網絡傳送的數據是和節(jié)點的物理地址聯系起來的，以數據為中心的特點要求傳感器網絡能夠脫離傳統(tǒng)網絡的尋址過程，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
無線傳感器網絡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，傳感器網絡是否需要傳輸層是一個問題。因特網的傳輸控制協(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絡的擴展性并沒有太大的必要性，因此適合于傳感器網絡的傳輸層協(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絡成為人們生活中的一個不可缺少的組成部分，實現這些和其他的傳感器網絡的應用需要自組織網絡技術。然而，傳統(tǒng)Ad hoc網絡的技術并不能夠完全適應于傳感器網絡的應用。因此，充分認識和研究傳感器網絡自組織方式及傳感器網絡的體系結構，為網絡協(xié)議和算法的標準化提供理論依據，為設備制造商的實現提供參考，成為當前無線傳感器網絡研究領域中一項十分緊迫的任務。也只有從網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。