沈阳理工大学学士学位论文
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
图2.3 无线传感器网络协议栈
能量管理平台移动管理平台任务管理平台 2.4 WSN的拓扑结构
在无线传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，采用能量有限的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以除了要设计能量高效的MAC协议、路由协议以及应用层协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。对于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑控制对网络性能影响很大。良好的拓扑结构能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。所以，拓扑控制是传感器网络中的一个基本问题。
在无线传感器网络中，网络的拓扑结构控制有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面:
(1) 影响整个网络的生命周期。基于无线传感器网络有限的能量，节能是网络设计主要考虑的问题之一，拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖率的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。
(2) 减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。无线传感器网络中节点通常密集分布，如果每个节点都以大功率进行通信，会加剧节点之间的干扰，降低通信效率，并造成节点能量的浪费。另一方面，如果选择太小的发射功率，会影响网络的连通性。 (3) 为路由协议提供基础。在无线传感器网络中，只有活动的节点才能进行数据转发，而拓扑结构控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点之间的邻居关系。 (4) 影响数据融合。无线传感器网络中的数据融合指传感器节点将采集的数据发送给中
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心节点，中心节点进行数据融合，并把融合后的数据发送给汇聚节点。而中心节点的选择是拓扑结构控制的一个重要内容。
(5) 弥补节点失效的影响。传感器节点可能部署在恶劣的环境中，在军事应用中甚至部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。这就要求网络拓扑结构具有鲁棒性以适应这种情况。
无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征，对传感器网络拓扑结构的设计提出了新的要求。在无线传感器网络中，节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络，并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。到目前为止，无线传感器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向，即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构。 (1) 平面型拓扑结构
平面型拓扑结构，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量，远距离节点之间以多跳通信方式，如图2.4所示。平面结构网络比较简单，无需任何的结构维护过程，节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。由于随机分布、高密度等特性，源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径，如图2.4中节点A和E之间存在两条路径:A一>C一>D一>E和A一>C一>F一>E，既可以使用多条路径实现负载分担，也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。在平面结构中，源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息，而且由于网络的动态性，如节点失效、增加等，维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息。网络规模越大路由维护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉，所以平面式结构的网络扩展性较差。
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Sink Internet D 传感器节点 传感区域 C A B E F
图2.4 平面型拓扑结构
(2) 层次型拓扑结构
层次型拓扑结构中，网络根据具体应用需求，如地理区域、能源、应用类型等，划 分为簇(Cluster)，每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成，多个簇头节点抽象成高 一级的网络，在高一级网络中可以继续分簇，形成更高一级网络，最终形成多层次组织 结构的传感器网络，如图2.5所示。
簇头 传感器节点 A C2 B C1 C3 图2.5 层次拓扑结构
层次型拓扑结构中，不同层次以自己的局部概念进行交互，聚集起来实现期望的全
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局任务。分层组织结构中，簇内成员节点负责感知任务，以多跳方式将采集的信息发送到簇头节点。簇头节点作为簇类的中心节点，担负着与远程终端通讯、发布簇类管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。为了有效利用能源和延长网络的生命周期，簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮流充当。这样可以使簇头节点的高能量消耗平均到网络节点上，同时也避免了固定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性，
而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的容量。但缺点是，为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发，因此不一定能使用最佳路由，例如图2.5中的A、B节点，物理距离很接近，在平面结构中可以直接通信，但分簇后需要通过两个簇的簇头中继进行通信。
2.5 WSN的特点
(1) 传感节点体积小，成本低，计算能力有限
无线传感器网络是在MEMS技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点，当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。传感网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本直接影响到网络的总体成本，如果总体成本比使用传统传感器的成本高，势必会影响无线传感网络的竞争力。由于体积、成本以及能量的限制，嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，因此传感器的计算能力十分有限。
(2) 传感节点数量大、易失效，具有自适应性
根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个甚至更多。此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。 (3) 通信半径小，带宽很低
无线传感器网络是利用多跳来实现低功耗下的数据传输，因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。根据目前观察到的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很低(l~100kbi灯s)。 (4) 电源能量是网络寿命的关键
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无线传感器网络中通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，只能选择钮扣式电池供电，电源能量极其有限，网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此电源效率是设计考虑的关键因素。 (5) 以数据为中心的网络
对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。比如在智能家居应用中人们可能希望知道“现在客厅的温度室多少”，而不会关心“2号节点感测到的温度是多少”。以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以对感知数据的管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上对感知数据进行管理和处理。
2.6 WSN的关键性技术问题
无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外,大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。
当然,从理论上讲,太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的,但深入的研究表明:传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心,后者以传输数据为目的.为了适应广泛的应用程序,传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想,强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上,中间节点仅仅负责数据分组的转发,对于传感器网络,这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识(如地址等)的作用在传感器网络中就显得不是十分重要,因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中,相邻节点间的距离非常短,低功耗的多跳通信模式节省功耗,同时增加了通信的隐蔽性,也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新
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