無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究

1 體系結(jié)構(gòu)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括4類基本實體對象：目標(biāo)、觀測節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場，另外，還需定義外部網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元和用戶來完成對整個系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，如圖1所示。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標(biāo)的感知視場。傳感節(jié)點(diǎn)檢測的目標(biāo)信號經(jīng)本地簡單處理后通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元通過外部網(wǎng)絡(luò)，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet，與觀測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。觀測節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。

傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)協(xié)同工作的能力，依據(jù)應(yīng)用需求，還可能攜帶定位，能源補(bǔ)給或移動等模塊。節(jié)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(biāo)是網(wǎng)絡(luò)感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。傳感節(jié)點(diǎn)通過目標(biāo)的熱、紅外、聲納、雷達(dá)或震動等信號，獲取目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、運(yùn)動方向或速度等屬性。傳感節(jié)點(diǎn)對感興趣目標(biāo)的信息獲取范圍稱為該節(jié)點(diǎn)的感知視場，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)視場的集合稱為該網(wǎng)絡(luò)的感知視場。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測到的目標(biāo)信息超過設(shè)定閥值，需提交給觀測節(jié)點(diǎn)時，被稱為有效節(jié)點(diǎn)。
觀測節(jié)點(diǎn)具有雙重身份。一方面，在網(wǎng)內(nèi)作為接收者和控制者，被授權(quán)監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡(luò)的事件消息和數(shù)據(jù)，可向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求或派發(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(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(shè)觀測節(jié)點(diǎn)能力較強(qiáng)，資源充分或可補(bǔ)充。觀測節(jié)點(diǎn)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(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)和查詢傳感節(jié)點(diǎn)，較常用。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用“平坦”結(jié)構(gòu)，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(diǎn)同構(gòu)，每個節(jié)點(diǎn)的計算能力、通信距離和能量供應(yīng)相當(dāng)。節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過多跳通信的方式，借助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳回到匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過匯聚節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和網(wǎng)絡(luò)查詢、管理。平坦結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)雖然能夠工作，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大，長的通信路徑將導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的概率增大，網(wǎng)絡(luò)性能下降，也會導(dǎo)致用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)更多的能量消耗，降低網(wǎng)絡(luò)生存周期。根據(jù)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，實際應(yīng)用中一般采用異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組成的、層次化的網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件。其基本含義是，應(yīng)用支撐層支持應(yīng)用業(yè)務(wù)層為各個應(yīng)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層次的保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層，其中網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開發(fā)與實現(xiàn))。網(wǎng)絡(luò)適配層：在網(wǎng)絡(luò)適配層中，網(wǎng)絡(luò)適配器是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、無線傳感器操作系統(tǒng))的封裝。基礎(chǔ)軟件層：基礎(chǔ)軟件層包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種中間件。這些中間件構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺軟件的公共基礎(chǔ)，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：完成無線傳感器網(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：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種配置工作，例如路由配置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整等。
功能中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)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：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實現(xiàn)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：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)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(luò)中間件和平臺軟件采用層次化、模塊化的體系結(jié)構(gòu)，使其更加適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并用自身的復(fù)雜換取應(yīng)用開發(fā)的簡單，而中間件技術(shù)能夠更簡單明了地滿足應(yīng)用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)個性化應(yīng)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(luò)應(yīng)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(luò)中間件和平臺軟件的靈活性、可擴(kuò)展性保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理能力和能量效率，降低了應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計中特殊考慮。
(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目多，開銷大,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)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(jié)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(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計時，節(jié)能是設(shè)計的主要考慮目標(biāo)之一。
(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受損的概率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)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)的損壞不會影響全局任務(wù)的進(jìn)行。
(4)傳感器節(jié)點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。
根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計適應(yīng)自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)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(yīng)用層。而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務(wù)管理面，管理面的存在主要是用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計。

(1)物理層
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用無線傳輸。
(2)數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)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(luò)內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。
媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)兩個職能。其一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立。因為成千上萬個傳感器節(jié)點(diǎn)高密度地分布于待測地域，MAC層機(jī)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(luò)的自組織特性提供網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)。其二是為傳感器節(jié)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(jié)點(diǎn)高密度地分布于待測環(huán)境內(nèi)或周圍，在傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間需要特殊的多跳無線路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計時需要特別考慮能耗的問題?；诠?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(diǎn)路由等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點(diǎn)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(luò)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(luò)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(shè)計思想中基于屬性的命名對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性并沒有太大的必要性，因此適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議應(yīng)該更類似于UDP協(xié)議。

5 結(jié)束語
傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)受應(yīng)用驅(qū)動?？偟恼f來，靈活性、容錯性、高密度以及快速部署等傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征為其帶來了許多新的應(yīng)用、在未來，有許多廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域可以使傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的應(yīng)用需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。然而，傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)并不能夠完全適應(yīng)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。因此，充分認(rèn)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(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)，為設(shè)備制造商的實現(xiàn)提供參考，成為當(dāng)前無線傳感器網(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(jié)構(gòu)的研究人手，帶動傳感器組織方式及通信技術(shù)的研究，才能更有力地推動這一具有戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā)展。