1.2.2　無線傳感器網絡架構

我們知道OSI模型采用的是分層體系結構，一共分為7層。與OSI模型相對應，WSN也具有自己的層次結構模型，但是與OSI模型稍有不同，WSN分為5層。OSI和WSN的物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層的基本結構相同，但是在傳輸層以上的上層結構中，WSN只有一個應用層，兩種模型同層次的功能也基本上相同。為了使WSN能夠更好地協同工作，WSN模型中還設置了三個平臺來管理WSN系統。下面詳細介紹各層的功能。

1. 各層協議的功能

1）物理層

無線傳感器網絡的傳輸介質可以是無線、紅外線或者光介質，例如，在微塵項目中就使用了光介質進行通信。還有使用紅外技術的無線傳感器網絡，它們都需要在收發雙方之間存在視距傳輸通路，而大量的傳感器網絡節點基于射頻電路，無線傳感器網絡推薦使用免許可證頻段（ISM）。在物理層技術選擇方面，環境的信號傳播特性、物理層技術的能耗是設計的關鍵問題。傳感器網絡的典型信道屬于近地面信道，其傳播損耗因子較大，并且天線高度距離地面越近，其損耗因子就越大，這是傳感器網絡物理層設計的不利因素，然而無線傳感器網絡的某些內在特征也存在有利因素。例如，高密度部署的無線傳感器網絡具有分集特性，可以用來克服陰影效應和路徑損耗。目前低功率傳感器網絡物理層的設計仍然有許多未知領域需要深入探討。

2）數據鏈路層

數據鏈路層負責數據流的多路復用、數據幀檢測、媒體接入和差錯控制，數據鏈路層保證了傳感器網絡內點到點和點到多點的連接。

（1）媒體訪問控制。在無線多跳Ad hoc網絡中，媒體訪問控制（MAC）層協議主要負責兩個職能：一是網絡結構的建立，因為成千上萬個傳感器節點高密度地分布于待測地域，MAC層機制需要為數據傳輸提供有效的通信鏈路，并為無線通信的多跳傳輸和網絡的自組織特性提供網絡組織結構；二是為傳感器節點有效、合理地分配資源。

（2）差錯控制。數據鏈路層的另一個重要功能是傳輸數據的差錯控制。在通信網中有兩種重要的差錯控制模式，分別是前向差錯控制（FEC）和自動重傳請求（ARQ）。在多跳網絡中，ARQ由于重傳的附加能耗和開銷而很少使用，即使使用FEC方式，也只考慮低復雜度的循環碼，而其他適合傳感器網絡的差錯控制方案仍處于探索階段。

3）網絡層

傳感器網絡節點高密度地分布于待測環境內或周圍。在傳感器網絡節點和接收器節點之間需要特殊的多跳無線路由協議。傳統的Ad hoc網絡大多基于點對點的通信，而為增加路由可達度，并考慮到傳感器網絡的節點并非很穩定，傳感器節點大多使用廣播式通信，路由算法也基于廣播方式進行優化。

此外，與傳統的Ad hoc網絡路由技術相比，無線傳感器網絡的路由算法在設計時需要特別考慮能耗的問題?；诠澞艿穆酚捎腥舾煞N，如最大有效功率（PA）路由算法，即選擇總有效功率最大的路由，總有效功率可以通過累加路由上的有效功率得到；最小能量路由算法，該算法選擇從傳感器節點到接收器傳輸數據消耗最小能量的路由；基于最小跳數路由算法，在傳感器節點和接收機之間選擇最小跳數的節點；以及基于最大最小有效功率節點路由算法，即算法選擇所有路由中最小有效功率最大的路由。

傳感器網絡的網絡層設計特色還體現在以數據為中心。在傳感器網絡中人們只關心某個區域的某個觀測指標的值，而不會去關心具體某個節點的觀測數據，而傳統網絡傳送的數據是與節點的物理地址聯系起來的。以數據為中心的特點要求傳感器網絡能夠脫離傳統網絡的尋址過程，快速有效地組織起各個節點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。

4）傳輸層

無線傳感器網絡的計算資源和存儲資源都十分有限，早期無線傳感器網絡數據傳輸量并不是很大，而且互聯網的傳輸控制協議（TCP）并不適應無線傳感器網絡環境，因此早期的傳感器網絡一般沒有專門的傳輸層，而是把傳輸層的一些重要功能分解到其下各層實現。隨著無線傳感器網絡的應用范圍增加，無線傳感器網絡上也出現了較大的數據流量，并開始傳輸包括音/視頻數據的媒體數據流。因此，目前面向無線傳感器網絡的傳輸層研究也在展開，在多種類型數據傳輸任務的前提下保障各種數據的端到端的傳輸質量。

5）應用層

應用層包括一系列基于監測任務的應用層軟件。與傳輸層類似，應用層研究也相對較少。應用層的傳感器管理協議、任務分配和數據廣播管理協議，以及傳感器查詢和數據傳播管理協議是傳感器網絡應用層需要解決的三個潛在問題。

網絡協議結構是網絡的協議分層和網絡協議的集合，是對網絡及其部件所應完成功能的定義和描述。對無線傳感器網絡來說，其網絡協議結構不同于傳統的計算機網絡和通信網絡。相對已有的有線網絡協議棧和自組織網絡協議棧，需要更為精巧和靈活的結構，用于支持節點的低功耗、高密度，提高網絡的自組織能力、自動配置能力、可擴展能力和保證傳感器數據的實時性。

傳感器網絡的體系結構受應用驅動。傳統的傳感器應用方向主要在軍事等領域。現在越來越多的研究表明，無線傳感器網絡在民用領域也存在著廣闊的應用前景。例如，多種類型的傳感器網絡可以為移動中的人們提供對周圍環境的感知，并通過與移動網絡的協同工作來觸發狀態感知的新業務，從而使人們能夠獲得更高的效率。這種多傳感環境以及與其他無線網絡的協同工作將對未來無線傳感器網絡與其他網絡的互通體系結構產生影響?？偟恼f來，靈活性、容錯性、高密度和快速部署等傳感器網絡的特征為其帶來了許多新的應用。

未來，有許多廣闊的應用領域可以使傳感器網絡成為人們生活中一個不可缺少的組成部分。實現這些及其他一些傳感器網絡的應用需要自組織網絡技術，然而，傳統Ad hoc網絡的技術并不能夠完全適用于傳感器網絡的應用。因此，充分認識和研究傳感器網絡自組織方式及傳感器網絡的體系結構，為網絡協議和算法的標準化提供理論依據，為設備制造商的實現提供參考，已成為目前的緊迫任務。也只有從網絡體系結構的研究入手，帶動傳感器組織方式及通信技術的研究，才能更有力地推動這一具有戰略意義的新技術的研究和發展。

2. 各管理平臺的功能

1）能量管理平臺

在無線傳感器網絡中，傳感器節點大多由能量十分有限的電池供電，并長期在無人值守的狀態下工作。由于傳感器網絡中節點個數多、分布區域廣、所處環境復雜，通過更換電解酶的方式來補充能量是不現實的，必須對無線傳感器網絡進行能量管理，采用有效的節能策略降低節點的能耗，延長網絡的生存期。

傳感器節點中傳感模塊的能耗比計算模塊和通信模塊的能耗低得多，因此，通常只對計算模塊和通信模塊的能耗進行討論。最常用的節能策略是采用睡眠機制，即把沒有傳感任務的傳感器節點的計算模塊和通信模塊關閉，或者調節到能耗更低的狀態，從而達到節能的目的。此外，動態電壓調節和動態功率管理、數據融合、減少控制報文、減小通信范圍和短距離多跳通信等方法也能降低節點的能耗。

2）移動管理平臺

在無線傳感器網絡中，由于節點能量耗盡或者通信中斷等原因，節點暫時或永久退出網絡，節點的數量逐漸減少，因此有必要增加無線傳感器網絡節點。另外，在一些特殊的應用中，要求有些節點能夠自由移動采集數據，對于傳感器節點的加入、退出或者移動，網絡需要有一個專門的平臺來管理這些節點的通信，移動管理平臺就是在這樣的背景下誕生的。

在無線傳感器網絡中，移動管理平臺的任務主要是維護或者重建節點間的正常路由，保證網絡穩定正常地運行和數據的可靠傳輸，從而實現最大限度地利用資源。

3）任務管理平臺

任務管理平臺主要用來調度區域內的任務完成順序，使網絡達到最優。