無線傳感器網(wǎng)絡體系結構研究

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡由大量高密度分布的處于被觀測對象內部或周圍的傳感器節(jié)點組成、其節(jié)點不需要預先安裝或預先決定位置，這樣提高了動態(tài)隨機部署于不可達或危險地域的可行性、傳感器網(wǎng)絡具有廣泛的應用前景，范圍涵蓋醫(yī)療、軍事和家庭等很多領域。例如，傳感器網(wǎng)絡快速部署、自組織和容錯特性使其可以在軍事指揮、控制、通信、計算、智能、監(jiān)測、勘測方面起到不可替代的作用、在醫(yī)療領域，傳感器網(wǎng)絡可以部署用來監(jiān)測病人并輔助殘障病人、其他商業(yè)應用還包括跟蹤產(chǎn)品質量、監(jiān)測危險地域等。
本文對無線傳感器網(wǎng)絡體系結構進行了較為深入的研究，從物理體系結構、軟件體系結構和通信體系結構三個層面進行了分析。

1 體系結構概述
無線傳感器網(wǎng)絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場，另外，還需定義外部網(wǎng)絡、遠程任務管理單元和用戶來完成對整個系統(tǒng)的應用刻畫，如圖1所示。大量傳感節(jié)點隨機部署，通過自組織方式構成網(wǎng)絡，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)本地簡單處理后通過鄰近傳感節(jié)點多跳傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務管理單元通過外部網(wǎng)絡，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡或Internet，與觀測節(jié)點進行交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。

傳感節(jié)點具有原始數(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)點協(xié)同工作的能力，依據(jù)應用需求，還可能攜帶定位，能源補給或移動等模塊。節(jié)點可采用飛行器撒播、火箭彈射或人工埋置等方式部署。
目標是網(wǎng)絡感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。傳感節(jié)點通過目標的熱、紅外、聲納、雷達或震動等信號，獲取目標溫度、光強度、噪聲、壓力、運動方向或速度等屬性。傳感節(jié)點對感興趣目標的信息獲取范圍稱為該節(jié)點的感知視場，網(wǎng)絡中所有節(jié)點視場的集合稱為該網(wǎng)絡的感知視場。當傳感節(jié)點檢測到的目標信息超過設定閥值，需提交給觀測節(jié)點時，被稱為有效節(jié)點。
觀測節(jié)點具有雙重身份。一方面，在網(wǎng)內作為接收者和控制者，被授權監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡的事件消息和數(shù)據(jù)，可向傳感器網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求或派發(fā)任務；另一方面，面向網(wǎng)外作為中繼和網(wǎng)關完成傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡間信令和數(shù)據(jù)的轉換，是連接傳感器網(wǎng)絡與其它網(wǎng)絡的橋梁。通常假設觀測節(jié)點能力較強，資源充分或可補充。觀測節(jié)點有被動觸發(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)絡和查詢傳感節(jié)點，較常用。