无线传感器网络体系结构

无线传感器的网络体系结构

一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如下图所示：

无线传感器网络系统架构

其中A—E则为分布式无线传感器节点群，这些节点群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。这些节点通常是一个微型的嵌入式系统，它们的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带有限能量的电池供电。从功能上看这些节点，它们不仅要对本地收集的信息进行收集及处理，而且要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定的任务。

汇聚节点的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

当我们设计无线传感器网络体系结构时要注重以下几个方面：

1.节点资源的有效利用。由于大量低成本微型节点的资源有限，怎样有效地管

理和使用这些资源，并最大限度地延长网络寿命是WSN研究面临的一个关键技术挑战，需要在体系结构的层面上给予系统性的考虑。可供着手的方面有:○1选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的MAC协议和路由协议。○2各功能模块间保持必要地同步，即同步休眠与唤醒。○3从系统的角度设计能耗均衡的路由协议，而不是一味的追求低功耗的路由协议，这就需要体系结构提供跨层设计的便利。○4由于节点上计算资源与存储资源有限，不适合进行复杂计算与大量数据的缓存，因此一些空间复杂度和时间复杂度高的协议与算法不适合于WSN的应用。○5随着无线通信技术的进步，带宽不断增加，例如超宽带（UWB）技术支持近百兆的带宽。WSN在不远的将来可以胜任视频音频传输，因此我们在体系结构上设计时需要考虑到这一趋势，不能仅仅

停留在简单的数据应用上。

2.支持网内数据处理。传感器网络与传统网络有着不同的技术要求，前者以数

据为中心（遵循“端对端”的边缘论思想），后者以传输数据为目的。传统网络中间节点不实现任何与分组内容相关的功能，只是简单的用存储/转发的模式为用户传送分组。而WSN仅仅实现分组传输功能是不够的，有时特别需要“网内数据处理”的支持（在中间节点上进行一定的聚合、过滤或压缩）。

同时减少分组传输还能协助处理拥塞控制和流量控制。

3.支持协议跨层设计。各个层次的研究人员为了同一性能优化目标（如节省能

耗、提高传输效率、降低误码率等）而进行的协作将非常普遍。这种优化工作使得网络体系中各个层次之间的耦合更加紧密，上层协议需要了解下层协议（不局限于相邻的下层）所提供的服务质量，而下层协议需得到上层协议（不局限于相邻的上层）的建议和指导。而作为对比，传统网络只是相邻层才可以进行消息交互的约定。虽然这种协议的跨层设计会增加体系结构设计的复杂度，但实践证明它是提高系统整体性能的有效方法。

4.增强安全性。由于WSN采用无线通信方式，信道缺少必要的屏蔽和保护，

更容易受到攻击和窃听。因此要WSN要将安全方面的考虑提升到一个重要的位置，设计一定的安全机制，确保所提供服务的安全性和可靠性。这些安全机制必须是自下而上地贯穿于体系结构的各个层次，除了类似于Ipsec这种网络层的安全隧道之外，还需对节点身份标识、物理地址、控制信息（路由表等）提供必要的认证和审计体质来加强对使用网络资源的管理。

5.支持多协议。互联网依赖于同一的IP协议实现端对端的通信，而WSN的形

式与应用具有多样性，除了转发分组外，更重要的是负责“以任务为中心”

的数据处理，这就需要多协议来支持。例如在子网内部工作时，采用广播或者组播的方式，当接入外部的互联网时又需要屏蔽内部协议实现无缝信息交互技术手段。

6.支持有效地资源发现机制。在设计WSN时需要考虑提供定位WSN监测信息

的类型、覆盖地域的范围，并获得具体监测信息的访问接口。传感器资源发现又包括网络自组织、网络编址和路由等。由于拓扑网络的自动生成性，如果依据单一符号（IP地址或者ID节点）来编址效率不高。因此可以考虑根据节点采集数据的多种属性来进行编址。

7.支持可靠的低延时通信。在各种类型的传感器网络节点在工作于监测区域内，

物理环境的各种参数动态变化是很快的，需要网络协议的实时性。

8.支持容忍延时的非面向连接的通信。由于传感器应用需求不一样，有些任务

对实时性要求不高（针对于第7点而言）例如：海洋勘测，生态环境监测等。

有些应用随时可能出现拓扑动态变化，移动性使得节点保持长期稳定的连通性较为困难。因此引入非面向连接的通信，及时在连通性无法保持的状态下也能进行通信。

9.开放性。近年来WSN衍生出来的水声传感器网络和无线地下传感器网络使

得WSN结构应该具备充分的开放性来包容这些已经出现或未来可能出现的新型同类网络。

现有的无线传感器网络体系由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这3部分组成，如下图所示：

无线传感器网络的体系结构

1.物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、

红外线、光波等。WSN推荐使用免许可证频段（ISM）。物理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有有利的方面，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。

2.数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。其中，媒体接

入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。

3.网络层：负责路由的发现和维护，由于大多数节点无法直接与网关通信，因

此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协议。

4.传输层：负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数

据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。

5.应用层：由各种面向应用的软件系统构成。主要研究的是各种传感器网络应

用的具体系统的开发，例如：作战环境侦查与监控系统，情报获取系统，灾难预防系统等等。