無線傳感器網絡體系結構

1、無線傳感器的網絡體系結構一個典型的無線傳感器網絡的系統(tǒng)架構 包括分布式無線傳感器節(jié)點（群） 接收發(fā)送器匯聚節(jié)點、互聯網或通信衛(wèi)星和任務管理節(jié)點等，如下圖所示：無線傳感器網絡系統(tǒng)架構其中 A A E E 則為分布式無線傳感器節(jié)點群，這些節(jié)點群隨機部署在監(jiān)測區(qū)域 內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。這些節(jié)點通常是一個微型的嵌入式 系統(tǒng)，它們的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱， 通過攜帶有限能量的電 池供電。從功能上看這些節(jié)點，它們不僅要對本地收集的信息進行收集及處理，而且要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點 協作完成一些特定的任務。匯聚節(jié)點的各方面能力相對丁上

2、述節(jié)點群而吉相對比較強，它連接傳感器網絡InternetInternet 等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，同時發(fā)布管理 節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集的數據轉發(fā)到外部網絡上。當我們設計無線傳感器網絡體系結構時要注重以下幾個方面：1.1.節(jié)點資源的有效利用。 由丁大量低成本微型節(jié)點的資源有限，怎樣有效地管 理和使用這些資源，并最大限度地延長網絡壽命是WSNWSN 研究面臨的一個關鍵技術挑戰(zhàn)，需要在體系結構的層面上給予系統(tǒng)性的考慮?？晒┲值姆矫?有:選擇低功耗的硬件設備，設計低功耗的 MACMAC 協議和路由協議。02各功 能模塊問保持必要地同步，即同步休眠與喚醒。O 3從系統(tǒng)的角度設計

3、能耗均 衡的路由協議，而不是一味的追求低功耗的路由協議，這就需要體系結構提 供跨層設計的便利。4由丁節(jié)點上計算資源與存儲資源有限，不適合進行復 雜計算與大量數據的緩存，因此一些空間復雜度和時間復雜度高的協議與算 法不適合丁 WSNWSN 的應用。O隨著無線通信技術的進步，帶寬不斷增加，例 如超寬帶（UWBUWB）技術支持近白兆的帶寬。WSNWSN 在不遠的將來可以勝任視 頻音頻傳輸，因此我們在體系結構上設計時需要考慮到這一趨勢，不能僅僅停留在簡單的數據應用上。2.2. 支持網內數據處理。傳感器網絡與傳統(tǒng)網絡有著不同的技術要求，前者以數據為中心（遵循“端對端”的邊緣論思想），后者以傳輸數據為目的

4、。傳統(tǒng)網 絡中間節(jié)點不實現任何與分組內容相關的功能，只是簡單的用存儲/轉發(fā)的模式為用戶傳送分組。而 WSNWSN 僅僅實現分組傳輸功能是不夠的，有時特別需 要“網內數據處理”的支持（在中間節(jié)點上進行一定的聚合、過濾或壓縮）。同時減少分組傳輸還能協助處理擁塞控制和流量控制。3.3. 支持協議跨層設計。各個層次的研究人員為了同一性能優(yōu)化目標（如節(jié)省能 耗、提高傳輸效率、降低誤碼率等）而進行的協作將非常普遍。這種優(yōu)化工 作使得網絡體系中各個層次之間的耦合更加緊密，上層協議需要了解下層協 議（不局限于相鄰的下層）所提供的服務質量，而下層協議需得到上層協議（不局限于相鄰的上層）的建議和指導。而作為對比，

5、傳統(tǒng)網絡只是相鄰層 才可以進行消息交互的約定。雖然這種協議的跨層設計會增加體系結構設計 的復雜度，但實踐證明它是提高系統(tǒng)整體性能的有效方法。4.4. 增強安全性。由于 WSNWSN 采用無線通信方式，信道缺少必要的屏蔽和保護，更容易受到攻擊和竊聽。 因此要 WSNWSN 要將安全方面的考慮提升到一個重要 的位置，設計一定的安全機制，確保所提供服務的安全性和可靠性。這些安 全機制必須是自下而上地貫穿于體系結構的各個層次，除了類似于IpsecIpsec 這種網絡層的安全隧道之外，還需對節(jié)點身份標識、物理地址、控制信息（路 由表等）提供必要的認證和審計體質來加強對使用網絡資源的管理。5.5. 支持多

6、協議。互聯網依賴于同一的 IPIP 協議實現端對端的通信，而 WSNWSN 的形 式與應用具有多樣性，除了轉發(fā)分組外，更重要的是負責“以任務為中心” 的數據處理，這就需要多協議來支持。例如在子網內部工作時，采用廣播或 者組播的方式，當接入外部的互聯網時乂需要屏蔽內部協議實現無縫信息交互技術手段。6.6. 支持有效地資源發(fā)現機制。 在設計 WSNWSN 時需要考慮提供定位 WSNWSN 監(jiān)測信息 的類型、覆蓋地域的范圍，并獲得具體監(jiān)測信息的訪問接口。傳感器資源發(fā)現乂包括網絡自組織、網絡編址和路由等。由于拓撲網絡的自動生成性，如 果依據單一符號（IPIP 地址或者 IDID 節(jié)點）來編址效率不高。

7、因此可以考慮根 據節(jié)點采集數據的多種屆性來進行編址。7.7. 支持可靠的低延時通信。在各種類型的傳感器網絡節(jié)點在工作于監(jiān)測區(qū)域內， 物理環(huán)境的各種參數動態(tài)變化是很快的，需要網絡協議的實時性。8.8. 支持容忍延時的非面向連接的通信。由于傳感器應用需求不一樣，有些任務 對實時性要求不高（針對于第 7 7 點而言）例如：海洋勘測，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等。 有些應用隨時可能出現拓撲動態(tài)變化，移動性使得節(jié)點保持長期穩(wěn)定的連通 性較為困難。因此引入非面向連接的通信，及時在連通性無法保持的狀態(tài)下 也能進行通信。9.9. 開放性。近年來 WSNWSN 衍生出來的水聲傳感器網絡和無線地下傳感器網絡使 得 WSWSN

8、N結構應該具備充分的開放性來包容這些已經出現或未來可能出現的 新型同類網絡。現有的無線傳感器網絡體系由分層的網絡通信協議、 網絡管理平臺以及應用 支撐平臺這 3 3 部分組成，如下圖所示：物理層無線傳感器網絡的體系結構1.1. 物理層：負責信號的調制和數據的收發(fā)，所采用的傳輸介質主要有無線電、 紅外線、光波等。WSNWSN 推薦使用免許可證頻段（ISMISM ）。物理層的設計既有 不利因素，例如傳播損耗因子較大，也有有利的方面，例如高密度部署的無線傳感器網絡具有分集特性，可以用來克服陰影效應和路徑損耗。2.2. 數據鏈路層：負責數據成幀、幀監(jiān)測、媒體接入和差錯控制。其中，媒體接 入協議保證可靠的點對點和點對多點通信；差錯控制則保證源節(jié)點發(fā)出的信 息可以完整無誤地到達目標節(jié)點。3.3. 網絡層：負責路由的發(fā)現和維護，由丁大多數節(jié)點無法直接與網關通信，因 此需要通過中間節(jié)點以多跳路由的方式將數據傳送至匯聚節(jié)點。而這就需要 在 WSWSN N節(jié)點與接收器節(jié)點之間多跳的無線路由協議。4.4. 傳輸層：負責數據流的傳輸控制，主要通過匯聚節(jié)點采集傳感器網絡內的數 據，并使用衛(wèi)星、移動通信網絡、InternetInterne