无线传感器网络的体系结构及应用

（一）无线传感器网络协议结构

网络协议为不同的工作站、服务器和系统之间提供了通信的方式，是为网络数据交换而制定的标准和规则。目前，互联网与其他传统通信网络已经有了成熟的网络协议，而由于传感器网络在工作环境、设计目的、能源供应等方面与传统互联网以及其他通信网络存在差异，其体系结构也不同于传统的网络。

当前，无线传感器网络主要分为两个组成部分：网络通信部分和传感器管理部分。

1.网络通信部分

该部分包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，负责实现各个节点之间的信息传递，然后由节点把收集到的信息传递给传感器管理部分。

（1）物理层

物理层主要负责数据的收集，并对收集的数据进行抽样，包括信道区分和选择、无线信号检测、调制与解调、信号的发送与接收等。

以目前电子电路的技术水平，在传送和接收一定长度的数据时，发射需要消耗的能源大于接收需要消耗的能源，更大于CPU运算需要消耗的能源。考虑到每个节点具有的能量十分有限，节能对整个网络的设计与维护十分重要。如何进行动态功率的管理和控制是无线传感器网络的一个重点研究方向。

（2）数据链路层

数据链路层负责媒体接入控制和建立节点之间可靠的通信链路，可分为媒体访问控制（Media Access Control，MAC）和逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）。

（3）网络层

网络层负责数据传输路径的选择，主要任务是路由的生成与选择，包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。它需要在传感器的源节点与汇聚节点之间建立路由以实现可靠的数据传输。因为多跳通信比直接通信更加节能，这也正好符合数据融合和协同信号处理的需要。在无线传感器网络中，节点一般都采用多跳路由相互连接。

（4）传输层

保障数据流进行有效可靠的传输。

（5）应用层

信息处理，具体使用收集到的数据。

2.传感器管理部分

传感器管理部分包含能源管理、移动管理和协同管理。管理平台决定了对收集数据的处理方式。管理平台同时还要负责各个节点的控制和监测，确保节点能够正常工作。

（1）能源管理

由于无线传感器网络中节点规模大并且每个节点趋于小型化，每个节点的电源能量都是最宝贵的资源。因此，能量管理部分就是为了尽可能合理、有效地利用能量，使整个无线传感器网络寿命延长。(www.xing528.com)

（2）移动管理

由于无线传感器节点可以移动，因此需要移动管理来检测传感器节点的移动，并使其连接到汇聚节点，使传感器节点能正确追踪其他节点的位置。

（3）协同管理

为了节省能量，人们必须采用有效的感知模型、较低的采样率和低功耗的信号处理算法。同时，为了提高对感知区域监控的有效性，多个节点对目标的检测、分类、辨识和跟踪而产生的信息处理必须在一定的时间内完成。

在以往的无线通信系统中，网络节点把收集到的原始数据直接发送给中心节点，由中心节点来进行信号处理。但在无线传感器网络这种能源十分宝贵的情况下，这种中心处理方式会浪费很多带宽资源与电能。并且中心节点附近的其他节点因要转发大量的信息，能量更容易耗尽，这样大大缩短了网络的生存时间。于是在无线传感器网络节点之间进行协同信号处理十分必要。

协同信号处理指的是多个节点协作性地对多个信源的数据进行处理，是一种按需的、面向目标的信号处理方式，只有当节点接到具体的查询任务时，才进行与当前查询有关的信号处理任务。协同信号处理是一种灵活的信号处理方式，能根据不同的查询任务进行相应的信号处理。

（二）无线传感器网络拓扑结构

在无线传感器网络中，大量节点散布在检测区域内，传感器节点之间以自组织形式构成网络，每个节点获取的数据通过无线网络传输，数据通过多个节点，最后通过网关连接到其他网络。这种节点之间组成的网络便是传感器网络的拓扑结构。

在无线传感器网络的实际应用中，由于大量的节点以及各个节点的环境和能源因素，整个网络的节点很可能会动态地增加或减少，从而可能使网络的拓扑结构随之发生变化，但总体上，传感器网络的拓扑结构可以分为以下几种类型。

1.星形拓扑结构

星形拓扑结构的每一个节点都直接连接到网关节点，单个的网关节点可以向其他节点发送或接收数据。在星形拓扑结构中，不同的一般节点（终止节点）之间不允许发送数据。这种连接方式能实现在一般节点和网关之间的低传输延迟，不过由于所有节点都依靠一个节点来工作，一般节点就必须分布在网关节点的无线信号范围内。

星形拓扑结构的优点是可以降低一半节点的能源消耗，而且易于管理。其缺点是网络规模不大。

2.树形拓扑结构

在树形拓扑结构中，每个节点连接到树的上层的一个节点，最后连接到网关。

树形拓扑结构的主要优点是可以简单地拓展网络，并且易于查错。其缺点是路由节点的损坏或能源耗尽将会导致整条支路瘫痪。

3.网状拓扑结构

网状拓扑结构允许每个节点与其无线网络范围内的任意节点传送数据，如果节点想要与其无线网络范围外的节点进行数据传输，它就会通过在其范围内的其他节点将数据转发给目标节点。

网状结构的优点是传输灵活，不依赖单个节点，并且可组建检测大面积区域的网络。其缺点是网络结构复杂，并需要大量成本投入。