無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下一些特色，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中特殊考慮。
(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點的數(shù)目多，開銷大,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò)而言有很大的簡化。
(2)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點就是能量受限，傳感器節(jié)點受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計時，節(jié)能是設(shè)計的主要考慮目標(biāo)之一。
(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境的特殊性，無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會影響全局任務(wù)的進行。
(4)傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護也提出了挑戰(zhàn)。
根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計適應(yīng)自身特點的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務(wù)管理面，管理面的存在主要是用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計。

(1)物理層
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用無線傳輸。
(2)數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體接入和差錯控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點到點和點到多點的連接。
媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)兩個職能。其一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立。因為成千上萬個傳感器節(jié)點高密度地分布于待測地域，MAC層機制需要為數(shù)據(jù)傳輸提供有效的通信鏈路，并為無線通信的多跳傳輸和網(wǎng)絡(luò)的自組織特性提供網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)。其二是為傳感器節(jié)點有效合理地分配資源。
(3)網(wǎng)絡(luò)層
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點高密度地分布于待測環(huán)境內(nèi)或周圍，在傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間需要特殊的多跳無線路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計時需要特別考慮能耗的問題?；诠?jié)能的路由有若干種，如最大有效功率(PA)路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳數(shù)路由、基于最大最小有效功率節(jié)點路由等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)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(wǎng)絡(luò)的計算資源和存儲資源都十分有限，而且通常數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大。因而，傳感器網(wǎng)絡(luò)是否需要傳輸層是一個問題。因特網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議 (TCP)是基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，其設(shè)計思想中基于屬性的命名對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展性并沒有太大的必要性，因此適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議應(yīng)該更類似于UDP協(xié)議。

5 結(jié)束語
傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)受應(yīng)用驅(qū)動?？偟恼f來，靈活性、容錯性、高密度以及快速部署等傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征為其帶來了許多新的應(yīng)用、在未來，有許多廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域可以使傳感器網(wǎng)絡(luò)成為人們生活中的一個不可缺少的組成部分，實現(xiàn)這些和其他的傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。然而，傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)并不能夠完全適應(yīng)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。因此，充分認(rèn)識和研究傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織方式及傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)，為設(shè)備制造商的實現(xiàn)提供參考，成為當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中一項十分緊迫的任務(wù)。也只有從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究人手，帶動傳感器組織方式及通信技術(shù)的研究，才能更有力地推動這一具有戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā)展。