无线传感器网络体系结构剖析
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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；
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)。
（1）网络适配层：
军事 侦察
环境 监测
健康 … 商业
（2）基础软件层：
1）网络中间件 2）配置中间件 3）功能中间件 4）管理中间件 5）安全中间件
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
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
基于无线传感器网络的应用程序
信
管
息
安
理
无线传感器网络的应用支撑技术
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
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。
应用服务接口
网络管理接口
应用层
时间同步
节点定位
传输层 网络层 数据链路层 物理层
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。
感知现场
• 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。
• 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。
时间同步
节点定位
传输控制
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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。
传输控制 路由 MAC
声、光、电、磁
安
全
服
/ 移
网
拓 扑
务 质 量
动
/ 能
络 管
控
量
制
理
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 （5）应用层
第2章 无线传感器网络体系结构
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 物理层
2.1 体系结构概述
第2章 无线传感器网络体系结构
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
传感器节点
• 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。
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。
• 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；
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)。
（1）网络适配层：
军事 侦察
环境 监测
健康 … 商业
（2）基础软件层：
1）网络中间件 2）配置中间件 3）功能中间件 4）管理中间件 5）安全中间件
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
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
基于无线传感器网络的应用程序
信
管
息
安
理
无线传感器网络的应用支撑技术
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
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。
应用服务接口
网络管理接口
应用层
时间同步
节点定位
传输层 网络层 数据链路层 物理层
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。
感知现场
• 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。
• 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。
时间同步
节点定位
传输控制
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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。
传输控制 路由 MAC
声、光、电、磁
安
全
服
/ 移
网
拓 扑
务 质 量
动
/ 能
络 管
控
量
制
理
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 （5）应用层
第2章 无线传感器网络体系结构
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 物理层
2.1 体系结构概述
第2章 无线传感器网络体系结构
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
传感器节点
• 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。
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。