無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量高密度分布的處于被觀測(cè)對(duì)象內(nèi)部或周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)組成、其節(jié)點(diǎn)不需要預(yù)先安裝或預(yù)先決定位置，這樣提高了動(dòng)態(tài)隨機(jī)部署于不可達(dá)或危險(xiǎn)地域的可行性、傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，范圍涵蓋醫(yī)療、軍事和家庭等很多領(lǐng)域。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)快速部署、自組織和容錯(cuò)特性使其可以在軍事指揮、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)測(cè)、勘測(cè)方面起到不可替代的作用、在醫(yī)療領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以部署用來監(jiān)測(cè)病人并輔助殘障病人、其他商業(yè)應(yīng)用還包括跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量、監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)地域等。
本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為深入的研究，從物理體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)和通信體系結(jié)構(gòu)三個(gè)層面進(jìn)行了分析。

1 體系結(jié)構(gòu)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括4類基本實(shí)體對(duì)象：目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)，另外，還需定義外部網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元和用戶來完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，如圖1所示。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)本地簡(jiǎn)單處理后通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元通過外部網(wǎng)絡(luò)，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。

傳感節(jié)點(diǎn)具有原始數(shù)據(jù)采集、本地信息處理、無線數(shù)據(jù)傳輸及與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的能力，依據(jù)應(yīng)用需求，還可能攜帶定位，能源補(bǔ)給或移動(dòng)等模塊。節(jié)點(diǎn)可采用飛行器撒播、火箭彈射或人工埋置等方式部署。
目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)感興趣的對(duì)象及其屬性，有時(shí)特指某類信號(hào)源。傳感節(jié)點(diǎn)通過目標(biāo)的熱、紅外、聲納、雷達(dá)或震動(dòng)等信號(hào)，獲取目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、運(yùn)動(dòng)方向或速度等屬性。傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)感興趣目標(biāo)的信息獲取范圍稱為該節(jié)點(diǎn)的感知視場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)視場(chǎng)的集合稱為該網(wǎng)絡(luò)的感知視場(chǎng)。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的目標(biāo)信息超過設(shè)定閥值，需提交給觀測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，被稱為有效節(jié)點(diǎn)。
觀測(cè)節(jié)點(diǎn)具有雙重身份。一方面，在網(wǎng)內(nèi)作為接收者和控制者，被授權(quán)監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡(luò)的事件消息和數(shù)據(jù)，可向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求或派發(fā)任務(wù)；另一方面，面向網(wǎng)外作為中繼和網(wǎng)關(guān)完成傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)間信令和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)的橋梁。通常假設(shè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)能力較強(qiáng)，資源充分或可補(bǔ)充。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)有被動(dòng)觸發(fā)和主動(dòng)查詢兩種工作模式，前者被動(dòng)地由傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出的感興趣事件或消息觸發(fā)，后者則周期掃描網(wǎng)絡(luò)和查詢傳感節(jié)點(diǎn)，較常用。