传感器网络结构及特点 - 3个方面浅谈无线传感器网络

　　2.传感器网络的结构

　　传感器网络的体系结构与TCP/IP相似也是5层协议，物理层负责载波频率的产生、信号调制、解调；数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问、差错控制，介质访问保证可靠的点对点和点对多点通信差错控制保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点；网络层负责路由发现与维护，通常大多数节点无法直接与网关通信，而是需要依靠中间件节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点；传输层负责数据流的传输控制；应用层则负责具体应用，比如时间同步和定位。由于多个传感器常常需要相互配合完成某个任务，节点的休眠与唤醒也需要时钟同步，因此传感器节点间的时钟必须保持同步。定位是确定传感器节点的相对位置或绝对位置。此外应用层还需要提供应用服务接口与网络管理接口。

　　根据传感器节点数目的多少可将传感器网络结构分为平面结构和分级结构。平面结构指的是所有节点都是地位平等的，源节点到目的节点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。但是当传感器节点数量增加时可以想象每个节点都需要不停的自组织网络与路由建立，而且由于所有的节点都有路由器的角色这样会使得太多节点参与路由，这样将会占用大量的带宽，影响网络数据的传输速率。还有一点那就是扩充性不好，新加一个节点需要让原有的所有节点都知道这个节点添加到网络里了，因此平面结构适合节点比较少的传感器网络。既然传感器节点需要维持一定的开销，那么如果我们将这个开销以分层的形式让一个传感器节点只需维持它所在的区域的网络拓扑，这样就可以减少开销了。分层结构就是这种思想它将传感器网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头则组成更高一级的一层网络。其实就类似于TCP/IP里子网的概念，路由器转发数据包是寻找网络号一样。传感器网络分级结构中簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员则只是采集数据，这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此扩展性很好。簇头可以预先指定也可以由节点使用分簇算法自动选举产生。

　　但是呢，没有任何事情是完美的。由于簇头需要综合整个簇间的数据与簇间的拓扑结构，而且簇头很难进入休眠状态，因此簇头需要消耗更多的能量。而传感器网络最头疼的就是能量的消耗了。分级结构比平面结构更加复杂，但是整体能量消耗减少了，因为只有簇头需要消耗很多能量，因此实用性较高。

　　3.传感器网络的特点

　　传感器网络与无线网络有很多相似的地方，但是同时也存在较大的差别。传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统，节点数目很庞大，而且节点分布密集容易受环境和能量耗尽的影响。传感器网络节点更加容易出现故障，由于有节点出现故障或者新加入节点因此网络拓扑结构是不断变化的，通常情况下传感器节点是固定不动的。造成这些区别的最主要的原因是传感器网络与无线网络的侧重点不同。无线网络的首要目标是要提供高服务的质量以及网络利用率，而传感器网络的首要目标是在完成功能的情况下尽可能的节约能量和高效的使用能源。没办法，传感器节点由于环境因素因此供电能力有限，大部分情况下是只依靠电池供电，因此传感器网络中有一个核心的思想就是要节能。

　　传感器节点消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和无线通信模块，随着一些工艺的进步，传感器模块和处理器模块能量消耗逐渐降低，大部分能量消耗集中在无线通信模块。在通信模块中消耗能量按从高往低是发送数据、接受数据、空闲侦听、睡眠状态，其中睡眠状态消耗能量极低。传感器节点除了能量受限外，通信能力和计算存储能力也受到了限制。这从传感器节点体积小、成本低可以体现出来。

　　传感器网络的组网有自组织性、数据为中心、网络规模大和可靠性等特点。其中最主要的是自组织性，传感器节点放入工作环境中时没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下节点自组织成一个探测网络。由于没有中心，网络不会因为单个节点的脱离而受到伤害。这样传感器网络就建立起来了，接下来当有新节点加入、传感器节点出现故障或失效、传感器或感知对象或观察者进行移动时，传感器网络仍然可以自组织的建立新的通信网络。正是因为有这些优点，传感器网络在仍在飞速发展。