1.WSN物理体系结构

传统的WSN采用“平坦”结构，部署在监测区域中用于数据采集的微型传感器节点同构，每个节点的计算能力、通信距离和能量供应相当。节点采集的数据通过多跳通信的方式，借助网络内其他节点的转发，将数据传回汇聚节点，再通过汇聚节点与其他网络连接，实现远程访问和网络查询、管理。平坦结构的网络虽然能够工作，但随着节点数量的增加，网络覆盖范围的扩大，长的通信路径将导致数据报丢失的概率增大，网络性能下降，也会导致用于转发数据的中间节点产生更多的能量消耗，降低网络生存周期。

传感器网络中的数据采集节点分为两类：一类是计算处理能力较弱、通信距离较短、成本较低的微型传感器节点和高端节点；另一类是能量供应充足、计算处理能力更强、通信距离更远的汇聚节点。整个网络被划分为若干相对独立的簇，簇内的微型节点通过能力较强的高端节点将数据传给汇聚节点。微型传感器节点和高端节点之间的短距离通信可以根据需要，采用直接通信或者多跳通信。由于每个簇的规模较小，多跳通信方式是可以接受的。高端节点和汇聚节点之间的通信也可以根据网络规模的大小，采用单跳或者多跳通信方式。当网络规模较大、覆盖范围较广时，多跳通信能提供更好的能量高效性。这种异构、层次化的网络结构相对于平坦结构而言，能更好地适应网络规模的扩展和网络拓扑结构的变化。同时，由于高端节点负责本组内全部微型节点的数据转发，可以在这些高端节点处实现有效的数据汇聚，减少实际传输的数据量，降低能量消耗。

2.WSN软件体系结构

对于每一类WSN应用系统而言，在设计和实现时需要开发的不仅是在应用服务器上的业务逻辑部分的软件，除此之外，还必须要设计处理分布系统所特有功能的软件，而目前的系统软件（操作系统）都不支持。WSN中间件将使WSN应用业务的开发者集中于设计与应用有关的部分，从而简化设计和维护工作。采用中间件技术，利用软件构件化、产品化能够扩展和简化WSN的应用。WSN中间件的开发将会使WSN在应用中达到柔性、高效的数据传输路径和局部化的目标，同时使整个网络在整个应用中达到最优化。WSN中间件和平台软件构成WSN业务应用的公共基础，提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。

在一般WSN应用系统中，管理和信息安全纵向贯穿各个层次的技术架构，最底层是WSN基础设施层，逐渐向上展开的是应用支撑层、应用业务层、具体的应用领域，如军事、环境、健康和商业等。

WSN应用支撑层、基础设施、应用业务层的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组成了WSN中间件和平台软件。其基本含义是，应用支撑层支持应用业务层为各个应用领域服务，提供所需的各种通用服务，在这一层中核心的是中间件软件，管理和信息安全是贯穿各个层次的保障。WSN中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层，其中网络适配层和基础软件层组成WSN节点嵌入式软件（部署在WSN节点中）的体系结构，应用开发层和基础软件层组成WSN应用支撑结构（支持应用业务的开发与实现）。

（1）网络适配层

在网络适配层中，网络适配器是对WSN底层（WSN基础设施、无线传感器操作系统）的封装。

（2）基础软件层

基础软件层包含WSN各种中间件：网络中间件负责WSN接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通性服务等、配置中间件负责WSN的各种配置工作，例如路由配置、拓扑结构的调整等；功能中间件负责WSN各种应用业务的共性功能，提供各种功能框架接口；管理中间件负责为WSN应用业务实现各种管理功能，例如目录服务，资源管理、能量管理、生命周期管理；安全中间件负责为WSN应用业务实现各种安全功能，例如安全管理、安全监控、安全审计。

这些中间件构成了WSN平台软件的公共基础，并提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。

（3）应用开发层

应用开发层包括应用框架接口、开发环境和工具集。应用框架接口提供WSN的各种功能描述和定义，具体的实现是由基础软件层提供。开发环境是WSN各种应用的图形化开发平台。工具集提供各种特制的开发工具，辅助WSN各种应用业务的开发实现。

（4）应用业务适配层

应用业务适配层是对各种应用业务的封装，用来解决基础软件层的变化和接口的不一致性问题。

WSN中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应WSN应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单，而中间件技术能够更简单、明了地满足应用的需要。一方面，中间件提供满足WSN个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件通过整合，使WSN应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，因而以WSN中间件和平台软件的灵活性、可扩展性保证了WSN的安全性，提高了WSN的数据管理能力和能量效率，降低了应用开发的复杂性。

3.WSN通信体系结构

WSN的实现需要自组织网络技术，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑。

1）WSN中的节点数目众多，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求，由于传感器节点的数目多、开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标志，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言有很大的简化。

2）自组织传感器网络最大的特点就是能量受限，传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。

3）由于传感器网络应用的环境的特殊性，无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的，以保证部分传感器网络的损坏不会影响全局任务的进行。

4）传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快。对于拓扑结构的维护也提出了挑战。根据以上特性分析，传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。(www.daowen.com)

图3.3 WSN通信体系结构

WSN通信体系结构如图3.3所示，即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。通信协议层可以划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。而网络管理面则可以划分为能量管理、移动管理以及任务管理三个部分，管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。

（1）物理层

物理层是通信协议的第一层，是整个开放系统的基础。其功能主要包括数据传输的介质规范，对感知数据的采样量化，提供简单但健壮的信号调制，工作频段选择、工作温度、信道编码、定时、同步、载波生成、信号检测、发送和接收等问题。物理层设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题，由于WSN节点体积小，能量、通信和运算能力都很有限，因此其设计目标是以尽可能少的能量消耗获得较高的信道容量和较稳定的传输效果。为了确保能量的有效利用，保证WSN有较长的生命周期，物理层与数据链路层和介质访问控制（MAC）层有密切的关联。

WSN的传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络主要使用无线传输。目前广泛应用的蓝牙技术、ZigBee技术都采用2.4GHz的ISM频段。在调制和扩频技术等方面，通常采用Mary调制机制、差分编码相移调制或者直接序列扩频码分多址访问机制。

（2）数据链路层

数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了WSN点到点和点到多点的连接。MAC层协议主要负责两个职能：其一是网络结构的建立。因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构；其二是为传感器节点有效、合理地分配资源。

针对WSN能量受限、网络拓扑结构动态变化等特点以及特殊的通信需求，从21世纪初开始，研究学者们设计了多种面向WSN的MAC协议，但对MAC协议还缺乏一个统一的分类方式。可以按照采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式对其进行分类：

1）采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。

2）采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰。

WSN的MAC协议设计可分为基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议以及混合MAC协议，详细内容参考相关文献。

（3）网络层

网络层主要考虑数据的路由，网络层路由协议主要负责寻找从发送方到接收方的最优路径，并将数据分组沿着优化路径进行转发，监控网络拓扑结构变化，定位目标节点位置，产生、维护和选择路由及其节点路由信息交换。通过路由发现、路由维护和路由选择等过程完成数据转发，实现传感器节点间的有效通信。

WSN的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率（PA）路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳数路由、基于最大最小有效功率节点路由等。传感器网络的网络层的设计特色还体现在以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速、有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

在WSN的体系结构中，网络层中的路由协议非常重要。网络层主要的目标是寻找用于WSN高能效路由的建立和可靠的数据传输方法，从而使网络寿命最长。然而由于WSN节点数量众多，不可能建立一个全局的地址机制；其信息冗余度大，通信能力和能量受限，导致传统的路由协议无法直接应用。到目前为止，国内外研究人员已经设计了多种基于WSN的路由协议，主要可以分为四大类：泛洪式路由协议、以数据为中心的路由协议、分层路由协议和基于位置的路由协议，详细内容参考相关文献。

（4）传输层

WSN的计算资源和存储资源都十分有限，而且通常数据传输量并不是很大。因而，传感器网络是否需要传输层是一个问题，如果信息只在传感器网络内部传递，传输层并不是必需的，但如果想要传感器网络通过互联网或卫星直接与外部网络迸行通信，则传输层将必不可少。传输层主要负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分，它为传感器节点提供建立、维护和取消传输连接的功能，并负责数据的可靠传输和错误恢复。

对于传感器网络传输层的研究大多以互联网的传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）两种协议为基础，TCP是基于全局地址的端到端传输协议，其设计思想中基于属性的命名对于传感器网络的扩展性并没有太大的必要性，因此适合于传感器网络的传输层协议应该更类似于UDP协议。

（5）应用层

应用层的主要任务是获取数据并进行相应简单处理。应用层支持WSN的各种实际应用，应用层可以有效地进行数据融合操作，节约节点能耗。对应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议以及传感器查询和数据传播管理协议是传感器网络应用层需要解决的几个潜在问题。