2.1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)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)3部分組成，如圖2-1所示。

1.分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

類似于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的TCP/IP體系，分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

1）物理層。負(fù)責(zé)信道的選擇、無(wú)線信號(hào)的監(jiān)測(cè)、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)有無(wú)線電波、紅外線和光波等。物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。

2）數(shù)據(jù)鏈路層。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制。該層可分為介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）子層和邏輯鏈路控制（LLC）子層，其中，MAC子層規(guī)定了不同的用戶如何共享可用的信道資源，保證可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；邏輯鏈路控制子層負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。

3）網(wǎng)絡(luò)層。負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、擁塞控制等。通常，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接和網(wǎng)關(guān)通信，需要中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。

4）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)采集傳感器節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)信息，利用衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信，提供可靠的、開(kāi)銷合理的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2.網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括拓?fù)淇刂啤⒎?wù)質(zhì)量管理、能量管理、網(wǎng)絡(luò)安全、移動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)管理和遠(yuǎn)程管理等。

1）拓?fù)淇刂啤榱斯?jié)約能源，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)在某些時(shí)刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，因而需要通過(guò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)管理各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡(luò)保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓?fù)淇刂评面溌穼印⒙酚蓪油瓿桑催^(guò)來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。

2）服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理。在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)制或者帶預(yù)留等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)進(jìn)行特別處理，它是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量約定。為滿足用戶需求，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻馁Y源，以用戶可以接受的性能指標(biāo)工作。

3）能量管理。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電源能量是各個(gè)節(jié)點(diǎn)最寶貴的資源，為了使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能長(zhǎng)，需要合理、有效地控制節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用。每個(gè)協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量的分配決策。

4）網(wǎng)絡(luò)安全。傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于軍事、商業(yè)領(lǐng)域，安全性是其重要的研究?jī)?nèi)容。由于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性以及無(wú)線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機(jī)制無(wú)法適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此需要設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，這需要采用擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證、鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。

5）移動(dòng)控制。某些應(yīng)用環(huán)境中，有一部分節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，移動(dòng)控制主要負(fù)責(zé)檢測(cè)和控制節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，還可以使傳感器節(jié)點(diǎn)跟蹤其鄰居節(jié)點(diǎn)。

6）網(wǎng)絡(luò)管理。是對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備及傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)視、控制、診斷和測(cè)試所采用的技術(shù)和方法。它要求各層協(xié)議嵌入各類信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)管理的功能主要有故障管理、計(jì)費(fèi)管理、配置管理、性能管理和安全管理。

7）遠(yuǎn)程管理。對(duì)于某些應(yīng)用環(huán)境，傳感器網(wǎng)絡(luò)處于人不容易訪問(wèn)的地方，為了對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，采用遠(yuǎn)程管理是十分必要的。通過(guò)遠(yuǎn)程管理，可以修正系統(tǒng)的漏洞、升級(jí)系統(tǒng)、關(guān)閉子系統(tǒng)、監(jiān)控環(huán)境的變化等，使傳感器網(wǎng)絡(luò)工作更有效。

3.應(yīng)用支撐平臺(tái)

應(yīng)用支撐平臺(tái)建立在分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，它包括一系列基于檢測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來(lái)為終端用戶提供具體的應(yīng)用支持。

1）時(shí)間同步。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和應(yīng)用要求各節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步，這樣多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)才能相互配合工作；此外，節(jié)點(diǎn)的休眠和喚醒也需要時(shí)間同步。

2）節(jié)點(diǎn)定位。確定每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置或絕對(duì)位置，節(jié)點(diǎn)定位在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、緊急救援等任務(wù)中尤為重要。節(jié)點(diǎn)定位分為集中定位方式和分布式定位方式。

3）應(yīng)用服務(wù)接口。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是多種多樣的，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，有各種應(yīng)用層的協(xié)議，如任務(wù)安排和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議、傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議等。

4）網(wǎng)絡(luò)管理接口。主要是傳感器管理協(xié)議（Sensor Management Protocol，SMP），把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。