1.2 无线传感器网络的体系结构

1.2.1 传感器的节点结构

无线传感器节点作为网络的最小单元，在不同的应用领域中其组成结构也不尽相同[5-6]，例如，环境监测主要专注于延长其生命周期，而在战场上主要专注于消息的及时处理和传输，但是整体来说传感器节点的基本组成结构是大同小异的。

传感器节点通常用于部署在现场，其成本低廉、重量轻，同时支持一些基本的功能，如事件检测、分类、追踪以及汇报。每个节点包含一个或多个传感器，嵌入式处理器、低功率雷达，以及供电电池。传感器节点在绝大多数时间保持“沉默”，但一旦监测到数据则立即进入活动状态，所有节点共同合作完成一个共同的任务。传感器节点硬件通信架构的设计必须充分考虑电池方面的限制。在一般情况下，节点支持以下功能：

● 动态配置，以支持多种网络功能；

● 节点可以动态配置成网关、普通节点等；

● 远程可编程，以便增加新的功能，如支持新的信号处理算法；

● 定位功能，以便确定自己的绝对或者相对位置，如利用全球定位系统（Global Position System，GPS）；

● 支持低功耗的网络传输；

● 支持长距离通信，以便数据传输，如网关之间的通信。

无线传感器节点的通用结构必须以共享硬件资源为前提，能够分离一般数据链路和无线数据链路，并且能兼容多种通信协议。如图1.2所示，WSN节点主要由一个传感器、处理器、电源、信号收发等模块构成，传感器用于感知、获取监测区域内感兴趣的一些数据，在传感器感知到数据以后，通过信号调制电路转化为模拟信号，因为处理器只能够处理简单的数字信号，加上数字信号能够更好地进行传输，因此需要通过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号送到处理模块进行处理。处理模块一般来说包括一个微处理器和一个存储器等。经过处理器简单处理之后，数据被传输到射频模块，通过发射机将数据发送给目的节点；电源模块提供所有模块的能量来源，一般采用的是微型电池，因为电源是不可替换的，所以在无线传感器网络中如何节省能量就显得非常重要。图1.2描述了通用节点的体系结构，该结构的核心是一个中央微处理器，用于分时处理操作请求和通信协议。

在无线传感器节点所包含的这几个主要部分之外，还包含有几个辅助的模块，如移动管理单元、节点定位单元等。传感器节点需要一个嵌入式操作系统来管理各种资源和支持各种应用，操作系统可以选择现有的各种商用嵌入式操作系统，如在WINS NG中就采用微软的Windows CE操作系统；也可以自己开发特定的操作系统，如UC Berkeley为此专门开发了TinyOS操作系统。现在成型的无线传感器节点，如Berkeley的Motes、英特尔公司的iMote等，它们的主要原理结构式大同小异，不同的是它们使用的处理器等硬件设备和通信协议。

节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。当前的研究主要集中在节点硬件设计和路由算法上，节省能量以延长网络传感器的生命周期。因此，在一般情况下，为了节省能耗，微处理器一般有两种运行模式：运行模式和睡眠模式。在睡眠模式中，节点能量的消耗要远远小于运行模式。

1.2.2 无线传感器网络架构

我们知道OSI模型采用的是分层体系结构，一共分为7层。与OSI模型相对应，WSN也具有自己的层次结构模型，但是与OSI模型稍有不同，WSN分为5层。OSI和WSN的物理层、数据链路层、网络层和传输层的基本机构相同，但是在传输层以上的上层结构中，WSN只有一个应用层，两种模型同层次的功能也基本上相同。为了使WSN能够更好地协同工作，WSN模型中还设置了三个平台用来管理WSN系统。下面将详细介绍各层的功能。

1.各层协议的功能

1）物理层

无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质，如在微尘项目中就使用了光介质进行通信。还有使用红外技术的传感器网络，它们都需要在收发双方之间存在视距传输通路。而大量的传感器网络节点基于射频电路。无线传感器网络推荐使用免许可证频段（ISM）。在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。传感器网络的典型信道属于近地面信道，其传播损耗因子较大，并且天线高度距离地面越近，其损耗因子就越大，这是传感器网络物理层设计的不利因素，然而无线传感器网络的某些内在特征也有利于设计的方面。例如，高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。目前低功率传感器网络物理层的设计仍然有许多未知领域需要深入探讨。

2）数据链路层

数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制，数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。

（1）媒体访问控制。在无线多跳Ad hoc网络中，媒体访问控制（MAC）层协议主要负责两个职能：其一是网络结构的建立，因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构；其二是为传感器节点有效、合理地分配资源。

（2）差错控制。数据链路层的另一个重要功能是传输数据的差错控制。在通信网中有两种重要的差错控制模式，分别是前向差错控制（FEC）和自动重传请求（ARQ）。在多跳网络中，ARQ由于重传的附加能耗和开销而很少使用，即使使用FEC方式，也只考虑低复杂度的循环码，而其他的适合传感器网络的差错控制方案仍处在探索阶段。

3）网络层

传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。传统的Ad hoc网络大多基于点对点的通信，而为增加路由可达度，并考虑到传感器网络的节点并非很稳定，在传感器节点大多使用广播式通信，路由算法也基于广播方式进行优化。

此外，与传统的Ad hoc网络路由技术相比，无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率（PA）路由算法，即选择总有效功率最大的路由，总有效功率可以通过累加路由上的有效功率得到；最小能量路由算法，该算法选择从传感器节点到接收器传输数据消耗最小能量的路由；基于最小跳数路由算法，在传感器节点和接收机之间选择最小跳数的节点；以及基于最大最小有效功率节点路由算法，即算法选择所有路由中最小有效功率最大的路由[29]。

传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心，在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的。以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户[23，24]。

4）传输层

无线传感器网络的计算资源和存储资源都十分有限，早期无线传感器网络数据传输量并不是很大，而且互联网的传输控制协议（TCP）并不适应无线传感器网络环境，因此早先的传感器网络一般没有专门的传输层，而是把传输层的一些重要功能分解到其下各层实现。随着无线传感器网络的应用范围的增加，无线传感器网络上也出现了较大的数据流量，并开始传输包括音/视频数据的媒体数据流。因此目前面向无线传感器网络的传输层研究也在展开，在多种类型数据传输任务的前提下保障各种数据的端到端的传输质量。

5）应用层

应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。与传输层类似，应用层研究也相对较少。应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议是传感器网络应用层需要解决的三个潜在问题。

网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说，其网络协议结构不同于传统的计算机网络和通信网络。相对已有的有线网络协议栈和自组织网络协议栈，需要更为精巧和灵活的结构，用于支持节点的低功耗、高密度，提高网络的自组织能力、自动配置能力、可扩展能力和保证传感器数据的实时性。

传感器网络的体系结构受应用驱动。传统的传感器的应用方向主要在军事等领域。现在越来越多的研究表明，无线传感器网络在民用领域也存在着广阔的应用前景。例如，多种类型的传感器网络可以为移动中的人们提供对周围环境的感知，并通过与移动网络的协同工作来触发状态感知的新业务，从而使人们能够获得更高的效率。这种多传感环境以及与其他无线网络的协同工作将对未来无线传感器网络与其他网络的互通体系结构产生影响。总的说来，灵活性、容错性、高密度以及快速部署等传感器网络的特征为其带来了许多新的应用。

未来，有许多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中一个不可缺少的组成部分。实现这些和其他一些传感器网络的应用需要自组织网络技术，然而，传统Ad hoc网络的技术并不能够完全适应于传感器网络的应用。因此，充分认识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，已成为目前的紧迫任务。也只有从网络体系结构的研究入手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战略意义的新技术的研究和发展。

2.各管理平台的功能

1）能量管理平台

在无线传感器网络中，传感器节点大多由能量十分有限的电池供电，并长期在无人值守的状态下工作。由于传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，通过更换电解酶方式来补充能量是不现实的，必须对WSN进行能量管理，采用有效的节能策略降低节点的能耗，延长网络的生存期。

传感器节点中传感模块的能耗比计算模块和通信模块的能耗低得多，因此，通常只对计算模块和通信模块的能耗进行讨论。最常用的节能策略是采用睡眠机制，即把没有传感任务的传感器节点的计算模块和通信模块关闭，或者调节到更低能耗的状态，从而达到节省能量的目的。此外，动态电压调节和动态功率管理、数据融合、减少控制报文、减小通信范围和短距离多跳通信等方法也能降低节点的能耗。

2）移动管理平台

在无线传感器网络中，由于节点能量耗尽或者通信中断等原因，节点暂时或永久退出网络，节点的数量逐渐减少，因此有必要增加无线传感器网络节点。另外在一些特殊的应用中，要求有些节点能够自由移动采集数据，对于传感器节点的加入、退出或者移动，网络需要有一个专门的平台来管理这些节点的通信，移动管理平台就是在这样的背景下诞生的。

在无线传感器网络中，移动管理平台的任务主要是维护或者重建节点间的正常路由，保证网络稳定正常地运行和数据的可靠传输，从而实现资源的最大限度的利用。

3）任务管理平台

任务管理平台主要用来调度区域内的任务完成顺序，使网络达到最优。