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1、无线传感器的网络结构 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 AE 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
2、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
3、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
4、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
5、 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
6、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
7、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
8、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。