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。
网络中间件：完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通性服务等。
配置中间件：完成无线传感器网络的各种配置工作，例如路由配置，拓扑结构的调整等。
功能中间件：完成无线传感器网络各种应用业务的共性功能，提供各种功能框架接口。
管理中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种管理功能，例如目录服务，资源管理、能量管理、生命周期管理。
安全中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种安全功能，例如安全管理、安全监控、安全审计。
无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单，而中间件技术能够更简单明了地满足应用的需要。一方面，中间件提供满足无线传感器网络个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件通过整合，使无线传感器网络应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，因而以无线传感器网络中间件和平台软件的灵活性、可扩展性保证了无线传感器网络安全性，提高了无线传感器网络数据管理能力和能量效率，降低了应用开发的复杂性。
4 无线传感器网络通信体系结构
无线传感器网络的实现需要自组织网络技术，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑。
(1)无线传感器网络中的节点数目众多，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求，由于传感器节点的数目多，开销大,传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言有很大的简化。
(2)自组织传感器网络最大的特点就是能量受限，传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。
(3)由于传感器网络应用的环境的特殊性，无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的，以保证部分传感器网络的损坏不会影响全局任务的进行。
(4)传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快。对于拓扑结构的维护也提出了挑战。
根据以上特性分析，传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。无线传感执行网络通信体系结构如图4所示，即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层。而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面，管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。
(1)物理层
无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络主要使用无线传输。
(2)数据链路层
数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了无线传感器网络内点到点和点到多点的连接。
媒体访问控制(MAC)层协议主要负责两个职能。其一是网络结构的建立。因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构。其二是为传感器节点有效合理地分配资源。
(3)网络层
传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围，在传感器网络发送节点和接收节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率(PA)路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳数路由、基于最大最小有效功率节点路由等。传感器网络的网络层的设计特色还体现在以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。
(4)传输层
无线传感器网络的计算资源和存储资源都十分有限，而且通常数据传输量并不是很大。因而，传感器网络是否需要传输层是一个问题。因特网的传输控制协议 (TCP)是基于全局地址的端到端传输协议，其设计思想中基于属性的命名对于传感器网络的扩展性并没有太大的必要性，因此适合于传感器网络的传输层协议应该更类似于UDP协议。
5 结束语
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人手，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。
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。
网络中间件：完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通性服务等。
配置中间件：完成无线传感器网络的各种配置工作，例如路由配置，拓扑结构的调整等。
功能中间件：完成无线传感器网络各种应用业务的共性功能，提供各种功能框架接口。
管理中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种管理功能，例如目录服务，资源管理、能量管理、生命周期管理。
安全中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种安全功能，例如安全管理、安全监控、安全审计。
无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单，而中间件技术能够更简单明了地满足应用的需要。一方面，中间件提供满足无线传感器网络个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件通过整合，使无线传感器网络应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，因而以无线传感器网络中间件和平台软件的灵活性、可扩展性保证了无线传感器网络安全性，提高了无线传感器网络数据管理能力和能量效率，降低了应用开发的复杂性。
4 无线传感器网络通信体系结构
无线传感器网络的实现需要自组织网络技术，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑。
(1)无线传感器网络中的节点数目众多，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求，由于传感器节点的数目多，开销大,传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言有很大的简化。
(2)自组织传感器网络最大的特点就是能量受限，传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。
(3)由于传感器网络应用的环境的特殊性，无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的，以保证部分传感器网络的损坏不会影响全局任务的进行。
(4)传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快。对于拓扑结构的维护也提出了挑战。
根据以上特性分析，传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。无线传感执行网络通信体系结构如图4所示，即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层。而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面，管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。
(1)物理层
无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络主要使用无线传输。
(2)数据链路层
数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了无线传感器网络内点到点和点到多点的连接。
媒体访问控制(MAC)层协议主要负责两个职能。其一是网络结构的建立。因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构。其二是为传感器节点有效合理地分配资源。
(3)网络层
传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围，在传感器网络发送节点和接收节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率(PA)路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳数路由、基于最大最小有效功率节点路由等。传感器网络的网络层的设计特色还体现在以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。
(4)传输层
无线传感器网络的计算资源和存储资源都十分有限，而且通常数据传输量并不是很大。因而，传感器网络是否需要传输层是一个问题。因特网的传输控制协议 (TCP)是基于全局地址的端到端传输协议，其设计思想中基于属性的命名对于传感器网络的扩展性并没有太大的必要性，因此适合于传感器网络的传输层协议应该更类似于UDP协议。
5 结束语
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人手，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。