1.2.2　无线传感器网络架构

我们知道OSI模型采用的是分层体系结构，一共分为7层。与OSI模型相对应，WSN也具有自己的层次结构模型，但是与OSI模型稍有不同，WSN分为5层。OSI和WSN的物理层、数据链路层、网络层和传输层的基本结构相同，但是在传输层以上的上层结构中，WSN只有一个应用层，两种模型同层次的功能也基本上相同。为了使WSN能够更好地协同工作，WSN模型中还设置了三个平台来管理WSN系统。下面详细介绍各层的功能。

1. 各层协议的功能

1）物理层

无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外线或者光介质，例如，在微尘项目中就使用了光介质进行通信。还有使用红外技术的无线传感器网络，它们都需要在收发双方之间存在视距传输通路，而大量的传感器网络节点基于射频电路，无线传感器网络推荐使用免许可证频段（ISM）。在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。传感器网络的典型信道属于近地面信道，其传播损耗因子较大，并且天线高度距离地面越近，其损耗因子就越大，这是传感器网络物理层设计的不利因素，然而无线传感器网络的某些内在特征也存在有利因素。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。目前低功率传感器网络物理层的设计仍然有许多未知领域需要深入探讨。

2）数据链路层

数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制，数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。

（1）媒体访问控制。在无线多跳Ad hoc网络中，媒体访问控制（MAC）层协议主要负责两个职能：一是网络结构的建立，因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构；二是为传感器节点有效、合理地分配资源。

（2）差错控制。数据链路层的另一个重要功能是传输数据的差错控制。在通信网中有两种重要的差错控制模式，分别是前向差错控制（FEC）和自动重传请求（ARQ）。在多跳网络中，ARQ由于重传的附加能耗和开销而很少使用，即使使用FEC方式，也只考虑低复杂度的循环码，而其他适合传感器网络的差错控制方案仍处于探索阶段。

3）网络层

传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。传统的Ad hoc网络大多基于点对点的通信，而为增加路由可达度，并考虑到传感器网络的节点并非很稳定，传感器节点大多使用广播式通信，路由算法也基于广播方式进行优化。

此外，与传统的Ad hoc网络路由技术相比，无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率（PA）路由算法，即选择总有效功率最大的路由，总有效功率可以通过累加路由上的有效功率得到；最小能量路由算法，该算法选择从传感器节点到接收器传输数据消耗最小能量的路由；基于最小跳数路由算法，在传感器节点和接收机之间选择最小跳数的节点；以及基于最大最小有效功率节点路由算法，即算法选择所有路由中最小有效功率最大的路由。

传感器网络的网络层设计特色还体现在以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，而传统网络传送的数据是与节点的物理地址联系起来的。以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

4）传输层

无线传感器网络的计算资源和存储资源都十分有限，早期无线传感器网络数据传输量并不是很大，而且互联网的传输控制协议（TCP）并不适应无线传感器网络环境，因此早期的传感器网络一般没有专门的传输层，而是把传输层的一些重要功能分解到其下各层实现。随着无线传感器网络的应用范围增加，无线传感器网络上也出现了较大的数据流量，并开始传输包括音/视频数据的媒体数据流。因此，目前面向无线传感器网络的传输层研究也在展开，在多种类型数据传输任务的前提下保障各种数据的端到端的传输质量。

5）应用层

应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。与传输层类似，应用层研究也相对较少。应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议是传感器网络应用层需要解决的三个潜在问题。

网络协议结构是网络的协议分层和网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说，其网络协议结构不同于传统的计算机网络和通信网络。相对已有的有线网络协议栈和自组织网络协议栈，需要更为精巧和灵活的结构，用于支持节点的低功耗、高密度，提高网络的自组织能力、自动配置能力、可扩展能力和保证传感器数据的实时性。

传感器网络的体系结构受应用驱动。传统的传感器应用方向主要在军事等领域。现在越来越多的研究表明，无线传感器网络在民用领域也存在着广阔的应用前景。例如，多种类型的传感器网络可以为移动中的人们提供对周围环境的感知，并通过与移动网络的协同工作来触发状态感知的新业务，从而使人们能够获得更高的效率。这种多传感环境以及与其他无线网络的协同工作将对未来无线传感器网络与其他网络的互通体系结构产生影响。总的说来，灵活性、容错性、高密度和快速部署等传感器网络的特征为其带来了许多新的应用。

未来，有许多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中一个不可缺少的组成部分。实现这些及其他一些传感器网络的应用需要自组织网络技术，然而，传统Ad hoc网络的技术并不能够完全适用于传感器网络的应用。因此，充分认识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，已成为目前的紧迫任务。也只有从网络体系结构的研究入手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战略意义的新技术的研究和发展。

2. 各管理平台的功能

1）能量管理平台

在无线传感器网络中，传感器节点大多由能量十分有限的电池供电，并长期在无人值守的状态下工作。由于传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，通过更换电解酶的方式来补充能量是不现实的，必须对无线传感器网络进行能量管理，采用有效的节能策略降低节点的能耗，延长网络的生存期。

传感器节点中传感模块的能耗比计算模块和通信模块的能耗低得多，因此，通常只对计算模块和通信模块的能耗进行讨论。最常用的节能策略是采用睡眠机制，即把没有传感任务的传感器节点的计算模块和通信模块关闭，或者调节到能耗更低的状态，从而达到节能的目的。此外，动态电压调节和动态功率管理、数据融合、减少控制报文、减小通信范围和短距离多跳通信等方法也能降低节点的能耗。

2）移动管理平台

在无线传感器网络中，由于节点能量耗尽或者通信中断等原因，节点暂时或永久退出网络，节点的数量逐渐减少，因此有必要增加无线传感器网络节点。另外，在一些特殊的应用中，要求有些节点能够自由移动采集数据，对于传感器节点的加入、退出或者移动，网络需要有一个专门的平台来管理这些节点的通信，移动管理平台就是在这样的背景下诞生的。

在无线传感器网络中，移动管理平台的任务主要是维护或者重建节点间的正常路由，保证网络稳定正常地运行和数据的可靠传输，从而实现最大限度地利用资源。

3）任务管理平台

任务管理平台主要用来调度区域内的任务完成顺序，使网络达到最优。