無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)資料僅供參考文件編號(hào)：2022年4月無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)版本號(hào)：A修改號(hào)：1頁(yè)次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)包括分布式無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（群）、接收發(fā)送器匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等，如下圖所示：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)其中A—E則為分布式無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)群，這些節(jié)點(diǎn)群隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它們的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，通過(guò)攜帶有限能量的電池供電。從功能上看這些節(jié)點(diǎn)，它們不僅要對(duì)本地收集的信息進(jìn)行收集及處理，而且要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定的任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)的各方面能力相對(duì)于上述節(jié)點(diǎn)群而言相對(duì)比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)、Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)要注重以下幾個(gè)方面：節(jié)點(diǎn)資源的有效利用。由于大量低成本微型節(jié)點(diǎn)的資源有限，怎樣有效地管理和使用這些資源，并最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是WSN研究面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，需要在體系結(jié)構(gòu)的層面上給予系統(tǒng)性的考慮?？晒┲值姆矫嬗?eq\o\ac(○,1)選擇低功耗的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)低功耗的MAC協(xié)議和路由協(xié)議。eq\o\ac(○,2)各功能模塊間保持必要地同步，即同步休眠與喚醒。eq\o\ac(○,3)從系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)能耗均衡的路由協(xié)議，而不是一味的追求低功耗的路由協(xié)議，這就需要體系結(jié)構(gòu)提供跨層設(shè)計(jì)的便利。eq\o\ac(○,4)由于節(jié)點(diǎn)上計(jì)算資源與存儲(chǔ)資源有限，不適合進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算與大量數(shù)據(jù)的緩存，因此一些空間復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度高的協(xié)議與算法不適合于WSN的應(yīng)用。eq\o\ac(○,5)隨著無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步，帶寬不斷增加，例如超寬帶（UWB）技術(shù)支持近百兆的帶寬。WSN在不遠(yuǎn)的將來(lái)可以勝任視頻音頻傳輸，因此我們?cè)隗w系結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到這一趨勢(shì)，不能僅僅停留在簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)應(yīng)用上。支持網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有著不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心（遵循“端對(duì)端”的邊緣論思想），后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)不實(shí)現(xiàn)任何與分組內(nèi)容相關(guān)的功能，只是簡(jiǎn)單的用存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)的模式為用戶(hù)傳送分組。而WSN僅僅實(shí)現(xiàn)分組傳輸功能是不夠的，有時(shí)特別需要“網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理”的支持（在中間節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行一定的聚合、過(guò)濾或壓縮）。同時(shí)減少分組傳輸還能協(xié)助處理?yè)砣刂坪土髁靠刂啤ＶС謪f(xié)議跨層設(shè)計(jì)。各個(gè)層次的研究人員為了同一性能優(yōu)化目標(biāo)（如節(jié)省能耗、提高傳輸效率、降低誤碼率等）而進(jìn)行的協(xié)作將非常普遍。這種優(yōu)化工作使得網(wǎng)絡(luò)體系中各個(gè)層次之間的耦合更加緊密，上層協(xié)議需要了解下層協(xié)議（不局限于相鄰的下層）所提供的服務(wù)質(zhì)量，而下層協(xié)議需得到上層協(xié)議（不局限于相鄰的上層）的建議和指導(dǎo)。而作為對(duì)比，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只是相鄰層才可以進(jìn)行消息交互的約定。雖然這種協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)會(huì)增加體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，但實(shí)踐證明它是提高系統(tǒng)整體性能的有效方法。增強(qiáng)安全性。由于WSN采用無(wú)線通信方式，信道缺少必要的屏蔽和保護(hù)，更容易受到攻擊和竊聽(tīng)。因此要WSN要將安全方面的考慮提升到一個(gè)重要的位置，設(shè)計(jì)一定的安全機(jī)制，確保所提供服務(wù)的安全性和可靠性。這些安全機(jī)制必須是自下而上地貫穿于體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)層次，除了類(lèi)似于Ipsec這種網(wǎng)絡(luò)層的安全隧道之外，還需對(duì)節(jié)點(diǎn)身份標(biāo)識(shí)、物理地址、控制信息（路由表等）提供必要的認(rèn)證和審計(jì)體質(zhì)來(lái)加強(qiáng)對(duì)使用網(wǎng)絡(luò)資源的管理。支持多協(xié)議?；ヂ?lián)網(wǎng)依賴(lài)于同一的IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的通信，而WSN的形式與應(yīng)用具有多樣性，除了轉(zhuǎn)發(fā)分組外，更重要的是負(fù)責(zé)“以任務(wù)為中心”的數(shù)據(jù)處理，這就需要多協(xié)議來(lái)支持。例如在子網(wǎng)內(nèi)部工作時(shí)，采用廣播或者組播的方式，當(dāng)接入外部的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)又需要屏蔽內(nèi)部協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)縫信息交互技術(shù)手段。支持有效地資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制。在設(shè)計(jì)WSN時(shí)需要考慮提供定位WSN監(jiān)測(cè)信息的類(lèi)型、覆蓋地域的范圍，并獲得具體監(jiān)測(cè)信息的訪問(wèn)接口。傳感器資源發(fā)現(xiàn)又包括網(wǎng)絡(luò)自組織、網(wǎng)絡(luò)編址和路由等。由于拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)生成性，如果依據(jù)單一符號(hào)（IP地址或者ID節(jié)點(diǎn)）來(lái)編址效率不高。因此可以考慮根據(jù)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的多種屬性來(lái)進(jìn)行編址。支持可靠的低延時(shí)通信。在各種類(lèi)型的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在工作于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，物理環(huán)境的各種參數(shù)動(dòng)態(tài)變化是很快的，需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)時(shí)性。支持容忍延時(shí)的非面向連接的通信。由于傳感器應(yīng)用需求不一樣，有些任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高（針對(duì)于第7點(diǎn)而言）例如：海洋勘測(cè)，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。有些應(yīng)用隨時(shí)可能出現(xiàn)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，移動(dòng)性使得節(jié)點(diǎn)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的連通性較為困難。因此引入非面向連接的通信，及時(shí)在連通性無(wú)法保持的狀態(tài)下也能進(jìn)行通信。開(kāi)放性。近年來(lái)WSN衍生出來(lái)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)使得WSN結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備充分的開(kāi)放性來(lái)包容這些已經(jīng)出現(xiàn)或未來(lái)可能出現(xiàn)的新型同類(lèi)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以及應(yīng)用支撐平臺(tái)這3部分組成，如下圖所示：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)物理層：負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)主要有無(wú)線電、紅外線、光波等。WSN推薦使用免許可證頻段（ISM）。物理層的設(shè)計(jì)既有不利因素，例如傳播損耗因子較大，也有有利的方面，例如高密度部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來(lái)克服陰影效應(yīng)和路徑損耗。數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測(cè)、媒體接入和差錯(cuò)控制。其中，媒體接入?yún)f(xié)議保證可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；差錯(cuò)控制則保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整無(wú)誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，由于大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與網(wǎng)關(guān)通信，因此需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。而這就需要在WSN節(jié)點(diǎn)與接收器節(jié)點(diǎn)之間多跳的無(wú)線路由協(xié)議。傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，主要通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)