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無線傳感器網絡由大量高密度分布的處于被觀測對象內部或周圍的傳感器節點組成、其節點不需要預先安裝或預先決定位置，這樣提高了動態隨機部署于不可達或危險地域的可行性、傳感器網絡具有廣泛的應用前景，范圍涵蓋醫療、軍事和家庭等很多領域。例如，傳感器網絡快速部署、自組織和容錯特性使其可以在軍事指揮、控制、通信、計算、智能、監測、勘測方面起到不可替代的作用、在醫療領域，傳感器網絡可以部署用來監測病人并輔助殘障病人、其他商業應用還包括跟蹤產品質量、監測危險地域等。 本文對無線傳感器網絡體系結構進行了較為深入的研究，從物理體系結構、軟件體系結構和通信體系結構三個層面進行了分析。 1 體系結構概述 無線傳感器網絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節點傳感節點和感知視場，另外，還需定義外部網絡、遠程任務管理單元和用戶來完成對整個系統的應用刻畫，如圖1所示。大量傳感節點隨機部署，通過自組織方式構成網絡，協同形成對目標的感知視場。傳感節點檢測的目標信號經本地簡單處理后通過鄰近傳感節點多跳傳輸到觀測節點。用戶和遠程任務管理單元通過外部網絡，比如衛星通信網絡或Internet，與觀測節點進行交互。觀測節點向網絡發布查詢請求和控制指令，接收傳感節點返回的目標信息。 傳感節點具有原始數據采集、本地信息處理、無線數據傳輸及與其它節點協同工作的能力，依據應用需求，還可能攜帶定位，能源補給或移動等模塊。節點可采用飛行器撒播、火箭彈射或人工埋置等方式部署。 目標是網絡感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。傳感節點通過目標的熱、紅外、聲納、雷達或震動等信號，獲取目標溫度、光強度、噪聲、壓力、運動方向或速度等屬性。傳感節點對感興趣目標的信息獲取范圍稱為該節點的感知視場，網絡中所有節點視場的集合稱為該網絡的感知視場。當傳感節點檢測到的目標信息超過設定閥值，需提交給觀測節點時，被稱為有效節點。 觀測節點具有雙重身份。一方面，在網內作為接收者和控制者，被授權監聽和處理網絡的事件消息和數據，可向傳感器網絡發布查詢請求或派發任務；另一方面，面向網外作為中繼和網關完成傳感器網絡與外部網絡間信令和數據的轉換，是連接傳感器網絡與其它網絡的橋梁。通常假設觀測節點能力較強，資源充分或可補充。觀測節點有被動觸發和主動查詢兩種工作模式，前者被動地由傳感節點發出的感興趣事件或消息觸發，后者則周期掃描網絡和查詢傳感節點，較常用。 2 無線傳感器網絡物理體系結構 傳統的無線傳感器網絡采用“平坦”結構，部署在監測區域中用于數據采集的微型傳感器節點同構，每個節點的計算能力、通信距離和能量供應相當。節點采集的數據通過多跳通信的方式，借助網絡內其他節點的轉發，將數據傳回到匯聚節點，再通過匯聚節點與其他網絡連接，實現遠程訪問和網絡查詢、管理。平坦結構的網絡雖然能夠工作，但隨著節點數量的增加，網絡覆蓋范圍的擴大，長的通信路徑將導致數據包丟失的概率增大，網絡性能下降，也會導致用于轉發數據的中間節點更多的能量消耗，降低網絡生存周期。根據IPv6無線傳感器網絡的特點，實際應用中一般采用異構節點組成的、層次化的網絡，如圖2所示。 無線傳感器網絡應用支撐層、無線傳感器網絡基礎設施和基于無線傳感器網絡應用業務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絡中間件和平臺軟件。其基本含義是，應用支撐層支持應用業務層為各個應用領域服務，提供所需的各種通用服務，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。無線傳感器網絡中間件和平臺軟件體系結構主要分為四個層次：網絡適配層、基礎軟件層、應用開發層和應用業務適配層，其中網絡適配層和基礎軟件層組成無線傳感器網絡節點嵌入式軟件(部署在無線傳感器網絡節點中)的體系結構，應用開發層和基礎軟件層組成無線傳感器網絡應用支撐結構(支持應用業務的開發與實現)。網絡適配層：在網絡適配層中，網絡適配器是對無線傳感器網絡底層(無線傳感器網絡基礎設施、無線傳感器操作系統)的封裝。基礎軟件層：基礎軟件層包含無線傳感器網絡各種中間件。這些中間件構成無線傳感器網絡平臺軟件的公共基礎，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。 網絡中間件：完成無線傳感器網絡接入服務、網絡生成服務、網絡自愈合服務、網絡連通性服務等。 配置中間件：完成無線傳感器網絡的各種配置工作，例如路由配置，拓撲結構的調整等。 功能中間件：完成無線傳感器網絡各種應用業務的共性功能，提供各種功能框架接口。 管理中間件：為無線傳感器網絡應用業務實現各種管理功能，例如目錄服務，資源管理、能量管理、生命周期管理。 安全中間件：為無線傳感器網絡應用業務實現各種安全功能，例如安全管理、安全監控、安全審計。 無線傳感器網絡中間件和平臺軟件采用層次化、模塊化的體系結構，使其更加適應無線傳感器網絡應用系統的要求，并用自身的復雜換取應用開發的簡單，而中間件技術能夠更簡單明了地滿足應用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網絡個性化應用的解決方案，形成一種特別適用的支撐環境；另一方面，中間件通過整合，使無線傳感器網絡應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絡中間件和平臺軟件的靈活性、可擴展性保證了無線傳感器網絡安全性，提高了無線傳感器網絡數據管理能力和能量效率，降低了應用開發的復雜性。 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，傳感器節點受環境的限制，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議設計時，節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境的特殊性，無線信道不穩定以及能源受限的特點，傳感器網絡節點受損的概率遠大于傳統網絡節點，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。 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，為網絡協議和算法的標準化提供統一的技術規范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執行網絡通信體系結構如圖4所示，即橫向的通信協議層和縱向的傳感器網絡管理面。通信協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。其二是為傳感器節點有效合理地分配資源。 (3)網絡層 傳感器網絡節點高密度地分布于待測環境內或周圍，在傳感器網絡發送節點和接收節點之間需要特殊的多跳無線路由協議。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域的某個觀測指標的值，而不會去關心具體某個節點的觀測數據。而傳統網絡傳送的數據是和節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網絡的尋址過程，快速有效的組織起各個節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議 (TCP)是基于全局地址的端到端傳輸協議，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議應該更類似于UDP協議。 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略意義的新技術的研究和發展。 |
