無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1、無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu) 包括分布式無線傳感器節(jié)點(diǎn)（群）接收發(fā)送器匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等，如下圖所示：其中AE則為分布式無線傳感器節(jié)點(diǎn)群，這些節(jié)點(diǎn)群隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式 系統(tǒng)，它們的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)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(diǎn)，它們不僅要對(duì)本地收集的信息進(jìn)行收集及處理, 而且要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn) 協(xié)作完成一些特定的任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)的各方面能力相對(duì)于上述節(jié)點(diǎn)群而言相對(duì)比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)

2、絡(luò)、In ternet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理 節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)要注重以下幾個(gè)方面:1. 節(jié)點(diǎn)資源的有效利用 。由于大量低成本微型節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)壽命是 WSN 研究面臨的一個(gè)關(guān) 鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，需要在體系結(jié)構(gòu)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(shè)備，設(shè)計(jì)低功耗的 MAC協(xié)議和路由協(xié)議。02各功 能模塊間保持必要地同步，即同步休眠與喚醒。O 3從系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)能耗均 衡的路由協(xié)議，而不是一味的追求低功耗的路由協(xié)議，這就需要

3、體系結(jié)構(gòu)提 供跨層設(shè)計(jì)的便利。 04 由于節(jié)點(diǎn)上計(jì)算資源與存儲(chǔ)資源有限，不適合進(jìn)行復(fù) 雜計(jì)算與大量數(shù)據(jù)的緩存，因此一些空間復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度高的協(xié)議與算 法不適合于 WSN 的應(yīng)用。05 隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步，帶寬不斷增加，例 如超寬帶（UWB）技術(shù)支持近百兆的帶寬。WSN在不遠(yuǎn)的將來可以勝任視頻 音頻傳輸，因此我們?cè)隗w系結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到這一趨勢，不能僅僅停 留在簡單的數(shù)據(jù)應(yīng)用上。2. 支持網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理 。傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有著不同的技術(shù)要求，前者以數(shù) 據(jù)為中心（遵循“端對(duì)端”的邊緣論思想） ，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。傳統(tǒng)網(wǎng) 絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)不實(shí)現(xiàn)任何與分組內(nèi)容相關(guān)的功能， 只是簡單的用存儲(chǔ)

4、 / 轉(zhuǎn)發(fā)的模 式為用戶傳送分組。而 WSN 僅僅實(shí)現(xiàn)分組傳輸功能是不夠的，有時(shí)特別需 要“網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理”的支持（在中間節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行一定的聚合、過濾或壓縮） 。 同時(shí)減少分組傳輸還能協(xié)助處理擁塞控制和流量控制。3. 支持協(xié)議跨層設(shè)計(jì) 。各個(gè)層次的研究人員為了同一性能優(yōu)化目標(biāo)（如節(jié)省能 耗、提高傳輸效率、降低誤碼率等）而進(jìn)行的協(xié)作將非常普遍。這種優(yōu)化工 作使得網(wǎng)絡(luò)體系中各個(gè)層次之間的耦合更加緊密，上層協(xié)議需要了解下層協(xié) 議（不局限于相鄰的下層）所提供的服務(wù)質(zhì)量，而下層協(xié)議需得到上層協(xié)議不局限于相鄰的上層）的建議和指導(dǎo)。而作為對(duì)比，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只是相鄰層才可以進(jìn)行消息交互的約定。雖然這種協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)會(huì)

5、增加體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的復(fù)雜度，但實(shí)踐證明它是提高系統(tǒng)整體性能的有效方法。4. 增強(qiáng)安全性 。由于 WSN 采用無線通信方式，信道缺少必要的屏蔽和保護(hù)， 更容易受到攻擊和竊聽。因此要 WSN 要將安全方面的考慮提升到一個(gè)重要 的位置，設(shè)計(jì)一定的安全機(jī)制，確保所提供服務(wù)的安全性和可靠性。這些安 全機(jī)制必須是自下而上地貫穿于體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)層次， 除了類似于 Ipsec 這種 網(wǎng)絡(luò)層的安全隧道之外，還需對(duì)節(jié)點(diǎn)身份標(biāo)識(shí)、物理地址、控制信息（路由 表等）提供必要的認(rèn)證和審計(jì)體質(zhì)來加強(qiáng)對(duì)使用網(wǎng)絡(luò)資源的管理。5. 支持多協(xié)議 ?；ヂ?lián)網(wǎng)依賴于同一的 IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的通信，而 WSN 的形 式與應(yīng)用具有多樣性

6、，除了轉(zhuǎn)發(fā)分組外，更重要的是負(fù)責(zé)“以任務(wù)為中心” 的數(shù)據(jù)處理，這就需要多協(xié)議來支持。例如在子網(wǎng)內(nèi)部工作時(shí)，采用廣播或 者組播的方式，當(dāng)接入外部的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)又需要屏蔽內(nèi)部協(xié)議實(shí)現(xiàn)無縫信息交 互技術(shù)手段。6. 支持有效地資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制 。在設(shè)計(jì) WSN 時(shí)需要考慮提供定位 WSN 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(xiàn)又包括網(wǎng)絡(luò)自組織、網(wǎng)絡(luò)編址和路由等。由于拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)生成性，如 果依據(jù)單一符號(hào)（ IP 地址或者 ID 節(jié)點(diǎn)）來編址效率不高。因此可以考慮根 據(jù)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的多種屬性來進(jìn)行編址。7. 支持可靠的低延時(shí)通信 。在各種類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在工作于監(jiān)

7、測區(qū)域內(nèi)， 物理環(huán)境的各種參數(shù)動(dòng)態(tài)變化是很快的，需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)時(shí)性。8. 支持容忍延時(shí)的非面向連接的通信 。由于傳感器應(yīng)用需求不一樣，有些任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高（針對(duì)于第7點(diǎn)而言）例如：海洋勘測，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等。有些應(yīng)用隨時(shí)可能出現(xiàn)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，移動(dòng)性使得節(jié)點(diǎn)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(shí)在連通性無法保持的狀態(tài)下 也能進(jìn)行通信。9. 開放性。近年來 WSN衍生出來的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)使 得WSN結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備充分的開放性來包容這些已經(jīng)出現(xiàn)或未來可能出現(xiàn)的 新型同類網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以及應(yīng)用支撐平臺(tái)這3

8、部分組成，如下圖所示：應(yīng)用at務(wù)接口應(yīng)川戻時(shí)冋同歩辺位傳輸層1TI撲控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)1. 物理層：負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)主要有無線電、紅外線、光波等。WSN推薦使用免許可證頻段（ISM）。物理層的設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來克服陰影效應(yīng)和路徑損耗。2. 數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體接入和差錯(cuò)控制。其中，媒體接 入?yún)f(xié)議保證可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；差錯(cuò)控制則保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信 息可以完整無誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。3. 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，由于大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無法直接與網(wǎng)關(guān)通信，因 此需要通過中間節(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。而這就需要 在 WSN 節(jié)點(diǎn)與接收器節(jié)點(diǎn)之間多跳的無線路由協(xié)議。4. 傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，主要通過匯聚節(jié)點(diǎn)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù) 據(jù)，并使用衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、 Internet 或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信， 是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部