生理无线传感器网络技术研究(5)
图2-1 无线传感器网络体系结构模型
2.2.1 通信体系结构
无线传感器网路一般采用分层的通信体系结构，可以表示为图2-2所示的结构。通信体系结构由通信协议、WSN管理以及应用支撑技术三个部分组成。
图2-2 无线传感器网络通信体系结构
1 通信协议
无线传感器网络通信协议的研究包括：（1）研究现有通信协议的性能，分析各种现有协议的优缺点并确定它们对于传感器网络的可用性；（2）以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重建技术的研究和面向应用的能源有效性路由算法的研究等。
无线传感器网络的协议栈结构分为四层：物理层、数据链路层、网络层和高层应用。传输层的作用是确保与其他外部网络的连接。物理层的主要作用是提供数据发送和接收的物理通道，完成信道能量检测、频率选择以及实现信号调制解调等功能。可以采用无线射频传输技术，也可以采用传统的红外传输技术。物理层使用动态功率管理、调整信号的频率和调制方法、动态电压调度等途径来满足WSN的要求。数据链路层是建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，保证物理层传输的数据尽量正确，同时提高系统频谱效率。网络层的功能包括分组路由。拥塞控制，完成路由的发现和文护等。传输层主要用于提供可开的额外开销及合理的数据传输服务。应用层提供各种具体的增值业务应用，同时也提供时间同步和节点定位功能。
2 WSN管理
(1) 能源管理
负责控制节点对能量的使用。在WSN中，电池供给的能源是有限的，为了延长网络寿命，各个节点都必须有效地利用能源。
(2) 拓扑管理
负责保持网络连通和有效传输数据。由于大量传感器节点密集的部署于监控区域，为了节约能源，延长WSN的生存时间，部分节点将按照某种规则进入休眠状态。拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传输的前提，协调WSN中各个节点的工作和休眠状态的转换。
(3) 网络管理
负责网络文护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包含数据收集、数据分析、数据处理和故障处理等功能。需要根据WSN的能量受限、自组织、节点易损等特点设计新型的分布式管理机制。
(4) QoS支持
QoS是指为应用程序提供足够的资源使它们以用户可以接受的性能指标工作。通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都可以根据用户的需求提供QoS支持。
3 应用支撑技术
(1) 时间同步
在WSN中单个节点的能力有限，需要大量的节点相互配合协调工作，这些协同工作的节点需要全局同步的时钟支持。目前对WSN时间同步的研究主要集中在两方面:一是尽量减少同步算法对时间服务器及信道质量的依赖，缩短可能引起同步误差的“关键路径”；二是从能耗角度，研究节能高效的同步算法。
(2) 节点定位
节点定位是指确定每个传感器节点在WSN系统中的相对位置或绝对的地理坐标。节点定位功能在许多应用中都起着至关重要的作用。如在军事侦察、火灾监测等应用中，传感器节点需要根据自身的位置信息来确定目标的位置；另外，通过节点定位，WSN系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务，这种工作模式可以大大降低整个系统的能耗，提高系统的生存时间。
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