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對象內(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，這樣提高了動態(tài)隨機(jī)部署于不可達(dá)或危險地域的可行性、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、自組織和容錯特性使其可以在軍事指揮、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)測、勘測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)測危險地域等。

本文對無線傳感器網(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)體對象：目標(biāo)、觀測節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場，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整個系統(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)同形成對目標(biāo)的感知視場。傳感節(jié)點(diǎn)檢測的目標(biāo)信號經(jīng)本地簡單處理后通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測節(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，與觀測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。觀測節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，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)感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。傳感節(jié)點(diǎn)通過目標(biāo)的熱、紅外、聲納、雷達(dá)或震動等信號，獲取目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、運(yùn)動方向或速度等屬性。傳感節(jié)點(diǎn)對感興趣目標(biāo)的信息獲取范圍稱為該節(jié)點(diǎn)的感知視場，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)視場的集合稱為該網(wǎng)絡(luò)的感知視場。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測到的目標(biāo)信息超過設(shè)定閥值，需提交給觀測節(jié)點(diǎn)時，被稱為有效節(jié)點(diǎn)。

觀測節(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)觀測節(jié)點(diǎn)能力較強(qiáng)，資源充分或可補(bǔ)充。觀測節(jié)點(diǎn)有被動觸發(fā)和主動查詢兩種工作模式，前者被動地由傳感節(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。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用“平坦”結(jié)構(gòu)，部署在監(jiān)測區(qū)域中用于數(shù)據(jù)采集的微型傳感器節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，每個節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、通信距離和能量供應(yīng)相當(dāng)。節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過多跳通信的方式，借助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳回到匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過匯聚節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和網(wǎng)絡(luò)查詢、管理。平坦結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)雖然能夠工作，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大，長的通信路徑將導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的概率增大，網(wǎng)絡(luò)性能下降，也會導(dǎo)致用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)更多的能量消耗，降低網(wǎng)絡(luò)生存周期。根據(jù)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中一般采用異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組成的、層次化的網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)層的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件。其基本含義是，應(yīng)用支撐層支持應(yīng)用業(yè)務(wù)層為各個應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)，提供所需的各種通用服務(wù)，在這一層中核心的是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個層次的保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層，其中網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn))。網(wǎng)絡(luò)適配層：在網(wǎng)絡(luò)適配層中，網(wǎng)絡(luò)適配器是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、無線傳感器操作系統(tǒng))的封裝�；�礎(chǔ)軟件層：基礎(chǔ)軟件層包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種中間件。這些中間件構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺軟件的公共基礎(chǔ)，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。