2.1 引言

无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台3部分组成，如图2-1所示。

1.分层的网络通信协议

类似于传统互联网中的TCP/IP体系，分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

1）物理层。负责信道的选择、无线信号的监测、信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质有无线电波、红外线和光波等。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。

2）数据链路层。负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。该层可分为介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层，其中，MAC子层规定了不同的用户如何共享可用的信道资源，保证可靠的点对点和点对多点通信；逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务接口。

3）网络层。负责路由发现和维护、网络互联、拥塞控制等。通常，大多数节点无法直接和网关通信，需要中间节点通过多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。

4）传输层。负责数据流的传输控制。主要通过汇聚节点采集传感器节点中的数据信息，利用卫星、移动通信网络、互联网或者其他的链路与外部网络通信，提供可靠的、开销合理的数据传输服务。

2.网络管理平台

网络管理平台主要进行传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、网络安全、移动控制、网络管理和远程管理等。

1）拓扑控制。为了节约能源，传感器节点会在某些时刻进入休眠状态，这会导致网络拓扑结构不断变化，因而需要通过拓扑控制技术管理各节点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输。拓扑控制利用链路层、路由层完成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。

2）服务质量（QoS）管理。在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带预留等机制，并对特定应用的数据进行特别处理，它是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量约定。为满足用户需求，无线传感器网络必须能够为用户提供足够的资源，以用户可以接受的性能指标工作。

3）能量管理。在无线传感器网络中，电源能量是各个节点最宝贵的资源，为了使无线传感器网络的使用时间尽可能长，需要合理、有效地控制节点对能量的使用。每个协议层中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量的分配决策。

4）网络安全。传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容。由于节点随机部署、网络拓扑的动态性以及无线信道的不稳定，传统的安全机制无法适用于无线传感器网络，因此需要设计新型的网络安全机制，这需要采用扩频通信、接入认证、鉴权、数字水印和数据加密等技术。

5）移动控制。某些应用环境中，有一部分节点可以移动，移动控制主要负责检测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以使传感器节点跟踪其邻居节点。

6）网络管理。是对网络上的设备及传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求各层协议嵌入各类信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。网络管理的功能主要有故障管理、计费管理、配置管理、性能管理和安全管理。

7）远程管理。对于某些应用环境，传感器网络处于人不容易访问的地方，为了对传感器网络进行管理，采用远程管理是十分必要的。通过远程管理，可以修正系统的漏洞、升级系统、关闭子系统、监控环境的变化等，使传感器网络工作更有效。

3.应用支撑平台

应用支撑平台建立在分层的网络通信协议和网络管理平台的基础之上，它包括一系列基于检测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供具体的应用支持。

1）时间同步。无线传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持同步，这样多个传感器节点才能相互配合工作；此外，节点的休眠和唤醒也需要时间同步。

2）节点定位。确定每个传感器节点的相对位置或绝对位置，节点定位在军事侦察、环境监测、紧急救援等任务中尤为重要。节点定位分为集中定位方式和分布式定位方式。

3）应用服务接口。无线传感器网络的应用是多种多样的，针对不同的应用环境，有各种应用层的协议，如任务安排和数据分发协议、传感器查询和数据分发协议等。

4）网络管理接口。主要是传感器管理协议（Sensor Management Protocol，SMP），把数据传输到应用层。