无线传感器网络体系结构研究

0 引言

无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其可以在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用、在医疗领域，传感器网络可以部署用来监测病人并辅助残障病人、其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。

本文对无线传感器网络体系结构进行了较为深入的研究，从物理体系结构、软件体系结构和通信体系结构三个层面进行了分析。

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1所示。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，与观测节点进行交互。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。

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。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；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。

2 无线传感器网络物理体系结构

传统的无线传感器网络采用"平坦"结构，部署在监测区域中用于数据采集的微型传感器节点同构，每个节点的计算能力、通信距离和能量供应相当。节点采集的数据通过多跳通信的方式，借助网络内其他节点的转发，将数据传回到汇聚节点，再通过汇聚节点与其他网络连接，实现远程访问和网络查询、管理。平坦结构的网络虽然能够工作，但随着节点数量的增加，网络覆盖范围的扩大，长的通信路径将导致数据包丢失的概率增大，网络性能下降，也会导致用于转发数据的中间节点更多的能量消耗，降低网络生存周期。根据IPv6无线传感器网络的特点，实际应用中一般采用异构节点组成的、层次化的网络，如图2所示。

无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组成了无线传感器网络中间件和平台软件。其基本含义是，应用支撑层支持应用业务层为各个应用领域服务，提供所需的各种通用服务，在这一层中核心的是中间件软件；管理和信息安全是贯穿各个层次的保障。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)。网络适配层：在网络适配层中，网络适配器是对无线传感器网络底层(无线传感器网络基础设施、无线传感器操作系统)的封装。基础软件层：基础软件层包含无线传感器网络各种中间件。这些中间件构成无线传感器网络平台软件的公共基础，并提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。

作者：李迎春，朱诗兵，陈刚 装备指挥技术学院   来源：山西电子技术