无线传感器网络体系结构
合集下载
无线传感器网络的结构与特点分析
无线传感器网络的结构与特点分析无线传感器网络（WSN）是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。
WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。
通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络。
无线传感器网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点（Sensor node）、汇聚节点（Sink node）和管理节点。
大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点检测的数据沿着其他传感器节点逐条地进行传输，在传输过程中检测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测数据。
传感器网络处理能力、存储能力和通信能力较弱，通过小容量电池供电。
从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些特定任务。
汇聚节点汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Internet外部网络的网关，实现两种协议间的转换，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。
管理节点管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络。
传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。
无线传感器网络主要特点大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。
传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。
传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
无线传感器网络
5、能量工程
• 能量工程包括能量的获取和存储两方面。能量 获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以 利用的电能，如太阳能，振动能量、地热、风 能等。2007年在无线能量传递方面有了新的研 究成果：通过磁场的共振传递技术将使远程能 量传递。这项技术将对无线传感器网络技术的 成熟和发展带来革命性的影响。在能量存储技 术方面，高容量电池技术是延长节点寿命，全 面提高节点能力的关键性技术。纳米电池技术 是目前最有希望的技术之一。
3、无线传感器网络的安全技术
• 安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息 传递应用中有直接需求。传感器网络由于部署 环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻 击。但受无线传感器网络资源限制，直接应用 安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认 证等现有算法存在实现的困难。鉴于此，研究 人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设 计中可能遭到的各种攻击形式；另一方面设计 安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足传 感器网络的现实需求。
无线传感器网络的应用领域：空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借 助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球 表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方 案。NASA的 JPL (Jet Propulsion Laboratory)实验室研制的 Sensor Webs就是 为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗 里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试 和完善。
4、精细控制、深度嵌入的操作系统技术
• 作为深度嵌入的网络系统，无线传感器网络对 操作系统也有特别的要求，既要能够完成基本 体系结构支持的各项功能，又不能过于复杂。 从目前发展状况来看，TinyOS是最成功的无线 传感器网络专用操作系统。但随着芯片低功耗 设计技术和能量工程技术水平的提高，更复杂 的嵌入式操作系统，如Vxworks、Uclinux和 Ucos等，也可能被无线传感器网络所采用。
第1章无线传感器网络概述
第1章 无线传感器网络概述
1.2.2 传感器节点的限制
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以 下一些实现的约束。 1．电源能量有限 传感器节点体积微小，通常只能携带能量十分有限的电 池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广， 而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以 传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如 何高效地使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临 的首要挑战。
第1章 无线传感器网络概述
4．可靠性高
传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的 区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒 或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点 往往采取随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域 进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，能 适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感 器节点数目巨大，不可能人工“照顾”到每一个传感器节点， 因此网络的维护十分困难，甚至不可能。传感器网络的通信 保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取 伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒
第1章 无线传感器网络概述
2．通信能力有限
无线通信的能量消耗与通信距离的关系为 E = k· dn 其中，参数n满足关系2 < n < 4。n的取值与很多因素有关， 例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n的 取值就大；天线质量对信号发射的影响也很大。考虑诸多因 素，通常n取3，即通信消耗与距离的三次方成正比。随着通 信距离的增加，能耗将急剧增加，因此，在满足通信连通度 的前提下应尽量减少通信距离。一般而言，传感器节点的无 线通信半径在100 m以内比较合适。
第1章 无线传感器网络概述
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.5 传输层
2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。
无线传感器网络简介
传输层与应用层
混合网络结构
平面网络结构
01
分级网络结构
02
03
Mesh网络结构
04
2、1无线传感网络拓扑结构
2、2无线传感器网络覆盖问题
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
三、无线传感器网络关键技术
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
4无线传感器网络QOS保证技术
5无线传感器网络数据融合技术
6无线传感器网络安全机制
7无线传感器网络定位技术
8无线传感器网络同步管理机制
四、无线传感器网络硬件平台
传感器节点
01.
汇聚节点
01.
管理平台
01.
4、1硬件结构
泛洪协议
SPIN协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是沿着选定的路径正确转发数据
3.2无线传感器网络路由协议
动态功率管理(dynamic power management,简称DPM)
01
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
02
3.3无线传感器能量管理机制
传感器节点
无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
汇聚节点
当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。
管理平台
管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
混合网络结构
平面网络结构
01
分级网络结构
02
03
Mesh网络结构
04
2、1无线传感网络拓扑结构
2、2无线传感器网络覆盖问题
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
三、无线传感器网络关键技术
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
4无线传感器网络QOS保证技术
5无线传感器网络数据融合技术
6无线传感器网络安全机制
7无线传感器网络定位技术
8无线传感器网络同步管理机制
四、无线传感器网络硬件平台
传感器节点
01.
汇聚节点
01.
管理平台
01.
4、1硬件结构
泛洪协议
SPIN协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是沿着选定的路径正确转发数据
3.2无线传感器网络路由协议
动态功率管理(dynamic power management,简称DPM)
01
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
02
3.3无线传感器能量管理机制
传感器节点
无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
汇聚节点
当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。
管理平台
管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
无线传感器网络体系结构PPT课件
1.传感器节点 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块 2. 汇聚节点 3.管理节点
第2章 无线传感器网络体系结构
.
6
2.2.2 无线传感器网络软件体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配 层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础 软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中) 的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构 (支持应用业务的开发与实现)。
第2章 无线传感器网络体系结构
2.1 体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节 点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远 程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如 图2-1所示。
目标
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
分布式网络服务接口
分布式网格 管理接口
应用层 传输层 网络层 数据链路层
安
Qos
路由
全 机
制
信道接入
拓扑生成
无线电
.
红外线
能
源
管
理
网
络
管
拓
理
扑
管
理
光波
9
无线传感网络结构
• 一、单跳网络
• 概念：为了向汇聚节点传送数据，各传感 器节点可以采用单跳方式将各自的数据直 接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成 的网络结构 为单跳网络结构。
. 传感器节点
感知现场 1
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络的通信协议为五层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
其中通信部分位于数据链路层和物理层，采用的标准是IEEE 802.15.4。
通信部分采用的通信技术可以是有线、无线、红外等，其中无线技术可以是ZigBee、蓝牙、超带宽（UWB）等。
组网技术主要在传输层和网络层。
支撑技术主要在应用层实现，包括时间同步技术、定位技术、数据融合技术、能量管理和安全机制等，主要作用是保证用户功能的正常运行。
物理层作用是为终端设备提供数据传输的通路。
主要任务是信号的调制、数据收发速率、通信频段的选择以及传输介质的选取。
数据链路层作用是建立可靠的点到点、点到多点的通信链路，保证源节点发出的信息可以正确的传输到目标节点。
主要任务是数据成帧、帧检测、介质访问、差错控制和功率控制。
网络层作用是将数据由传感器节点可靠的传输到汇聚节
点。
主要任务是路由的发现和维护，确保终端的连通/无连通情况，路由的可达性以及寻找传感器节点和汇聚节点之间最优路径（能量消耗最小、延时最小）。
传输层作用是进行数据流的传输控制进而保证网络通信质量
应用层要为传感器网络应用提供时间同步服务、节点定位机制、节点管理协议、任务协议和数据广播管理协议。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
应用服务接口 网络管理接口
应用层
时间同步
节点定位 安 全 / 移 动 / 能 量
传输层
传输控制
网络层
路由
数据链路层 物理层
MAC
拓 扑 控 制
服 务 质 量
网 络 管 理
声、光、电、磁
2.2.4 无线传感器网络通信体系结构 （1）物理层 （2）数据链路层 （3）网络层 （4）传输控制层
第2章 无线传感器网络体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
2.1 体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节 点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远 程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如 图2-1所示。
目标
外部网络 （UAV、卫星通信 网、互联网等）
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换 感知现场 传感器节点
（1）网络适配层：
（2）基础软件层： 1）网络中间件 2）配置中间件
基于无线传感器网络的应用程序 军事 侦察 环境 监测 健康
…
商业
3）功能中间件
4）管理中间件 5）安全中间件
管 理
无线传感器网络的应用支撑技术
信 息 安 全
无线传感器 网络中间件 与平台软件
无线传感器网络的基础设施
2.2.3 无线传感器网络的协议栈
传感节点对感兴趣目标的信息获取范围 称为该节点的感知视场，网络中所有节点 视场的集合称为该网络的感知视场。当传 感节点检测到的目标信息超过设定阀值， 需提交给观测节点时，被称为有效节点。
• 观测节点具有双重身份。
• 一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权 监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器 网络发布查询请求或派发任务；
无线传感器分类
• • • • • 1、静止网络和移动网络 2、确定性和非确定性网络 3、静止汇聚节点和移动汇聚节点网络 4、单汇聚节点和多汇聚节点网络 5、同构网络和异构网络
第2章 无线传感器网络体系结构
2.3 小结
传感器网络的体系结构受应用驱动。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、在未来，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的一个不可缺少的组成 部分，实现这些和其他的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，成为当前无线传 感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。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。
• 另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感 器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接 传感器网络与其它网络的桥梁。
• 通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。 观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前 者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发， 后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。
第2章 无线传感器网络体系结构
传感节点具有原始数据采集、本地信 息处理、无线数据传输及与其它节点协同 工作的能力，依据应用需求，还可能携带 定位，能源补给或移动等模块。节点可采 用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方 式部署。
目标是网络感兴趣的对象及其属性， 有时特指某类信号源。传感节点通过目标 的热、红外、声纳、雷达或震动等信号， 获取目标温度、光强度、噪声、压力、运 动方向或速度等属性。
第2章 无线传感器网络体系结构
1.传感器节点 （1）数据采集模块
（2）处理控制模块
（3）无线通信模块 （4）能量供应模块 2. 汇聚节点 3.管理节点
2.2.2 无线传感器网络软件体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配 层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础 软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中) 的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构 (支持应用业务的开发与实现)。
无线传感网络结构
• 二、多跳网络 • 概念：传感器节点通过一个或多个网络中 间节点将所采集到的数据传送给汇聚节点， 从而有效的降低通信所需的能耗。 • 1、平面结构 • 各传感器节点地位相同、汇聚节点泛洪发 消息，各可响应的节点通过多跳和与其他 节点中继方式与汇聚节点通信。
无线传感网络结构
• 2、分层结构 • 分簇结构——簇成员（较低能量）采集监 测数据发给较近距离的簇头（较高能量）， 簇头处理数据后，发送给汇聚节点。 • 特点：降低通信能耗、平衡节点负载、适 应网络拓扑变化。需周期分簇，以平衡节 点业务负载。经过多次数据融合，可降低 数据冗余，减少传输数据量，提高网络能 量效率。
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包 括能量管理、移动管理和任务管理等平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源 高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
图2-5所示为协议栈模型，定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊，它们既要依赖 于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为各层网络协议提供信息支持， 如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。
• 大量传感节点随机部署，通过自组织方式 构成网络，协同形成对目标的感知视场。 传感节点检测的目标信号经本地简单处理 后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。 用户和远程任务管理单元通过外部网络， 比如卫星通信网络或Internet，与节点进行 交互。观测节点向网络发布查询请求和控 制指令，接收传感节点返回的目标信息。
（5）应用层
分布式网络服务接口
分布式网格 管理接口
应用层
时间同步
节点定位ห้องสมุดไป่ตู้
传输层
Qos
传输控制 安 全 机 制
能 源 管 理
网络层
路由 信道接入 拓扑生成
拓 扑 管 理
网 络 管 理
数据链路层 物理层
无线电
红外线
光波
无线传感网络结构
• 一、单跳网络 • 概念：为了向汇聚节点传送数据，各传感 器节点可以采用单跳方式将各自的数据直 接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成 的网络结构 为单跳网络结构。 • 优点：网络结构简单 • 缺点：长距离通信，能量消耗、硬件花费 高；能量不能得以均衡使用；随网络变大 传输碰撞引起传输延迟。
应用层
时间同步
节点定位 安 全 / 移 动 / 能 量
传输层
传输控制
网络层
路由
数据链路层 物理层
MAC
拓 扑 控 制
服 务 质 量
网 络 管 理
声、光、电、磁
2.2.4 无线传感器网络通信体系结构 （1）物理层 （2）数据链路层 （3）网络层 （4）传输控制层
第2章 无线传感器网络体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
2.1 体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节 点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远 程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如 图2-1所示。
目标
外部网络 （UAV、卫星通信 网、互联网等）
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换 感知现场 传感器节点
（1）网络适配层：
（2）基础软件层： 1）网络中间件 2）配置中间件
基于无线传感器网络的应用程序 军事 侦察 环境 监测 健康
…
商业
3）功能中间件
4）管理中间件 5）安全中间件
管 理
无线传感器网络的应用支撑技术
信 息 安 全
无线传感器 网络中间件 与平台软件
无线传感器网络的基础设施
2.2.3 无线传感器网络的协议栈
传感节点对感兴趣目标的信息获取范围 称为该节点的感知视场，网络中所有节点 视场的集合称为该网络的感知视场。当传 感节点检测到的目标信息超过设定阀值， 需提交给观测节点时，被称为有效节点。
• 观测节点具有双重身份。
• 一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权 监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器 网络发布查询请求或派发任务；
无线传感器分类
• • • • • 1、静止网络和移动网络 2、确定性和非确定性网络 3、静止汇聚节点和移动汇聚节点网络 4、单汇聚节点和多汇聚节点网络 5、同构网络和异构网络
第2章 无线传感器网络体系结构
2.3 小结
传感器网络的体系结构受应用驱动。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、在未来，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的一个不可缺少的组成 部分，实现这些和其他的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，成为当前无线传 感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。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。
• 另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感 器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接 传感器网络与其它网络的桥梁。
• 通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。 观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前 者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发， 后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。
第2章 无线传感器网络体系结构
传感节点具有原始数据采集、本地信 息处理、无线数据传输及与其它节点协同 工作的能力，依据应用需求，还可能携带 定位，能源补给或移动等模块。节点可采 用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方 式部署。
目标是网络感兴趣的对象及其属性， 有时特指某类信号源。传感节点通过目标 的热、红外、声纳、雷达或震动等信号， 获取目标温度、光强度、噪声、压力、运 动方向或速度等属性。
第2章 无线传感器网络体系结构
1.传感器节点 （1）数据采集模块
（2）处理控制模块
（3）无线通信模块 （4）能量供应模块 2. 汇聚节点 3.管理节点
2.2.2 无线传感器网络软件体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配 层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础 软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中) 的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构 (支持应用业务的开发与实现)。
无线传感网络结构
• 二、多跳网络 • 概念：传感器节点通过一个或多个网络中 间节点将所采集到的数据传送给汇聚节点， 从而有效的降低通信所需的能耗。 • 1、平面结构 • 各传感器节点地位相同、汇聚节点泛洪发 消息，各可响应的节点通过多跳和与其他 节点中继方式与汇聚节点通信。
无线传感网络结构
• 2、分层结构 • 分簇结构——簇成员（较低能量）采集监 测数据发给较近距离的簇头（较高能量）， 簇头处理数据后，发送给汇聚节点。 • 特点：降低通信能耗、平衡节点负载、适 应网络拓扑变化。需周期分簇，以平衡节 点业务负载。经过多次数据融合，可降低 数据冗余，减少传输数据量，提高网络能 量效率。
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包 括能量管理、移动管理和任务管理等平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源 高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
图2-5所示为协议栈模型，定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊，它们既要依赖 于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为各层网络协议提供信息支持， 如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。
• 大量传感节点随机部署，通过自组织方式 构成网络，协同形成对目标的感知视场。 传感节点检测的目标信号经本地简单处理 后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。 用户和远程任务管理单元通过外部网络， 比如卫星通信网络或Internet，与节点进行 交互。观测节点向网络发布查询请求和控 制指令，接收传感节点返回的目标信息。
（5）应用层
分布式网络服务接口
分布式网格 管理接口
应用层
时间同步
节点定位ห้องสมุดไป่ตู้
传输层
Qos
传输控制 安 全 机 制
能 源 管 理
网络层
路由 信道接入 拓扑生成
拓 扑 管 理
网 络 管 理
数据链路层 物理层
无线电
红外线
光波
无线传感网络结构
• 一、单跳网络 • 概念：为了向汇聚节点传送数据，各传感 器节点可以采用单跳方式将各自的数据直 接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成 的网络结构 为单跳网络结构。 • 优点：网络结构简单 • 缺点：长距离通信，能量消耗、硬件花费 高；能量不能得以均衡使用；随网络变大 传输碰撞引起传输延迟。