無線傳感器網絡體系結構研究

0 引言
無線傳感器網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點組成、其節點不需要預先安裝或預先決定位置，這樣提高了動態隨機部署于不可達或危險地域的可行性、傳感器網絡具有廣泛的應用前景，范圍涵蓋醫療、軍事和家庭等很多領域。例如，傳感器網絡快速部署、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、監測、勘測方面起到不可替代的作用、在醫療領域，傳感器網絡可以部署用來監測病人并輔助殘障病人、其他商業應用還包括跟蹤產品質量、監測危險地域等。
本文對無線傳感器網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
無線傳感器網絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節點傳感節點和感知視場，另外，還需定義外部網絡、遠程任務管理單元和用戶來完成對整個系統的應用刻畫，如圖1所示。大量傳感節點隨機部署，通過自組織方式構成網絡，協同形成對目標的感知視場。傳感節點檢測的目標信號經本地簡單處理后通過鄰近傳感節點多跳傳輸到觀測節點。用戶和遠程任務管理單元通過外部網絡，比如衛星通信網絡或Internet，與觀測節點進行交互。觀測節點向網絡發布查詢請求和控制指令，接收傳感節點返回的目標信息。

傳感節點具有原始數據采集、本地信息處理、無線數據傳輸及與其它節點協同工作的能力，依據應用需求，還可能攜帶定位，能源補給或移動等模塊。節點可采用飛行器撒播、火箭彈射或人工埋置等方式部署。
目標是網絡感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。傳感節點通過目標的熱、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。傳感節點對感興趣目標的信息獲取范圍稱為該節點的感知視場，網絡中所有節點視場的集合稱為該網絡的感知視場。當傳感節點檢測到的目標信息超過設定閥值，需提交給觀測節點時，被稱為有效節點。
觀測節點具有雙重身份。一方面，在網內作為接收者和控制者，被授權監聽和處理網絡的事件消息和數據，可向傳感器網絡發布查詢請求或派發任務；另一方面，面向網外作為中繼和網關完成傳感器網絡與外部網絡間信令和數據的轉換，是連接傳感器網絡與其它網絡的橋梁。通常假設觀測節點能力較強，資源充分或可補充。觀測節點有被動觸發和主動查詢兩種工作模式，前者被動地由傳感節點發出的感興趣事件或消息觸發，后者則周期掃描網絡和查詢傳感節點，較常用。