無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括4類(lèi)基本實(shí)體對(duì)象：目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)，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(hù)來(lái)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫(huà)，如圖1所示。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)本地簡(jiǎn)單處理后通過(guò)鄰近傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢(xún)請(qǐng)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(wú)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(dòng)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(duì)象及其屬性，有時(shí)特指某類(lèi)信號(hào)源。傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)目標(biāo)的熱、紅外、聲納、雷達(dá)或震動(dòng)等信號(hào)，獲取目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、運(yùn)動(dòng)方向或速度等屬性。傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)感興趣目標(biāo)的信息獲取范圍稱(chēng)為該節(jié)點(diǎn)的感知視場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)視場(chǎng)的集合稱(chēng)為該網(wǎng)絡(luò)的感知視場(chǎng)。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的目標(biāo)信息超過(guò)設(shè)定閥值，需提交給觀測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，被稱(chēng)為有效節(jié)點(diǎn)。
觀測(cè)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(tīng)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(xún)請(qǐng)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(cè)節(jié)點(diǎn)能力較強(qiáng)，資源充分或可補(bǔ)充。觀測(cè)節(jié)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(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(xún)傳感節(jié)點(diǎn)，較常用。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用“平坦”結(jié)構(gòu)，部署在監(jiān)測(cè)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(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)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(guò)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(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)、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(zhǎng)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(huì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，實(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和基于無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)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(gè)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(gè)層次的保障。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開(kāi)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無(wú)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(kāi)發(fā)與實(shí)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(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線傳感器操作系統(tǒng))的封裝?；A(chǔ)軟件層：基礎(chǔ)軟件層包含無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種中間件。這些中間件構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)各種安全功能，例如安全管理、安全監(jiān)控、安全審計(jì)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)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(wú)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(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(yīng)用的需要。一方面，中間件提供滿(mǎn)足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)個(gè)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(guò)整合，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只需面對(duì)一個(gè)可以解決問(wèn)題的軟件平臺(tái)，因而以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件的靈活性、可擴(kuò)展性保證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性，提高了無(wú)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(kāi)發(fā)的復(fù)雜性。

4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對(duì)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(jì)中特殊考慮。
(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，這就對(duì)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(kāi)銷(xiāo)大,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識(shí)，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對(duì)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(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(jì)時(shí)，節(jié)能是設(shè)計(jì)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(wú)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(huì)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(duì)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(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計(jì)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(mǎn)足用戶(hù)的需求。無(wú)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(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(diào)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(shè)計(jì)。

(1)物理層
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無(wú)線、紅外或者光介質(zhì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用無(wú)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(cè)、媒體接入和差錯(cuò)控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了無(wú)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(wèn)控制(MAC)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)兩個(gè)職能。其一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立。因?yàn)槌汕先f(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)高密度地分布于待測(cè)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(wú)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(cè)環(huán)境內(nèi)或周?chē)?，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(wú)線路由協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮能耗的問(wèn)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(jì)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(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的值，而不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)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(lái)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(guò)程，快速有效的組織起各個(gè)節(jié)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)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(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(shè)計(jì)思想中基于屬性的命名對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)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(yīng)該更類(lèi)似于UDP協(xié)議。

5 結(jié)束語(yǔ)
傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)受應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。總的說(shuō)來(lái)，靈活性、容錯(cuò)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(yīng)用、在未來(lái)，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(gè)不可缺少的組成部分，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)提供參考，成為當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中一項(xiàng)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(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(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā)展。