無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量高密度分布的處于被觀測對象內(nèi)部或周圍的傳感器節(jié)點組成、其節(jié)點不需要預(yù)先安裝或預(yù)先決定位置，這樣提高了動態(tài)隨機部署于不可達或危險地域的可行性、傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，范圍涵蓋醫(yī)療、軍事和家庭等很多領(lǐng)域。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測、勘測方面起到不可替代的作用、在醫(yī)療領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以部署用來監(jiān)測病人并輔助殘障病人、其他商業(yè)應(yīng)用還包括跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量、監(jiān)測危險地域等。
    本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進行了較為深入的研究，從物理體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)和通信體系結(jié)構(gòu)三個層面進行了分析。

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、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場，另外，還需定義外部網(wǎng)絡(luò)、遠程任務(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)點隨機部署，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)本地簡單處理后通過鄰近傳感節(jié)點多跳傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務(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)點進行交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。

    傳感節(jié)點具有原始數(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，能源補給或移動等模塊。節(jié)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(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(jié)點對感興趣目標的信息獲取范圍稱為該節(jié)點的感知視場，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點視場的集合稱為該網(wǎng)絡(luò)的感知視場。當傳感節(jié)點檢測到的目標信息超過設(shè)定閥值，需提交給觀測節(jié)點時，被稱為有效節(jié)點。
    觀測節(jié)點具有雙重身份。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)點能力較強，資源充分或可補充。觀測節(jié)點有被動觸發(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，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)點同構(gòu)，每個節(jié)點的計算能力、通信距離和能量供應(yīng)相當。節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過多跳通信的方式，借助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳回到匯聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點與其他網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)遠程訪問和網(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)點數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴大，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，實際應(yīng)用中一般采用異構(gòu)節(jié)點組成的、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)點嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中)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，拓撲結(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)點數(shù)目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點的數(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)最大的特點就是能量受限，傳感器節(jié)點受環(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，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，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)的進行。
    (4)傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化快。對于拓撲結(jié)構(gòu)的維護也提出了挑戰(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)自身特點的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標準化提供統(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)鏈路層負責數(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)點到點和點到多點的連接。
    媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議主要負責兩個職能。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)點高密度地分布于待測地域，MAC層機制需要為數(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)點和接收節(jié)點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。基于節(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)域的某個觀測指標的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(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)議和算法的標準化提供理論依據(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。