第02章、WSN体系结构

1、无线传感器网络 主讲人：刘长红 Email： 无线传感器网络 第二章、无线传感器网络 体系结构 无线传感器网络体系结构 u体系结构概述体系结构概述 u无线传感器网络无线传感器网络物理物理体系结构体系结构 u无线传感器网络无线传感器网络软件软件体系结构体系结构 u无线传感器网络的无线传感器网络的协议栈协议栈 u无线传感器网络无线传感器网络通信通信体系结构体系结构 体系结构概述 一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器 节点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节 点等，其中无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标目标、观测节点观测节点 （汇聚节点）（汇聚节点）、传感

2、器节点传感器节点和感知视场感知视场，如下图所示。大量传感节点 随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。 传感节点检测的目标信号经本地简单处理 后通过邻近传感节点多跳传 输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通 信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络发布查询 请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。 体系结构概述 传感器节点具有原始数据采集原始数据采集、本地信息处理本地信息处理、无线数据传输无线数据传输 及与其它节点协同工作的能力协同工作的能力，这些节点群随机部署在监测区域 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。 体系结构概述

3、目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点 通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、 噪声、压力、运动方向或速度等属性。传感节点对感兴趣目标的信息获取传感节点对感兴趣目标的信息获取 范围范围称为该节点的感知视场该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合网络中所有节点视场的集合称为该网络的感 知视场。当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点 时，被称为有效节点。 体系结构概述 观测节点（汇聚节点）的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较 强，具有双重身份双重身份。它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种 协议栈之间的通信协

4、议转换。同时发布管理点的监测任务，并把收集的数 据转发到外部网络上。 通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触 发和主动查询两种工作模式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或 消息触发，后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。 无线传感器网络物理体系结构 无线传感器网络系统通常包括传感器节点传感器节点(sensor node)、汇聚节汇聚节 点点(sink node)和管理节点管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域 (sensor field)内部或附近，具有无线通信与计算能力的微小传感器网 络节点通过自组织的方式构成的能够根据环境自主完成指定任务的分 布式智能化网

5、络系统，并以协作的方式实现感知、采集和处理网络覆 盖区域中的信息，通过多跳后路由到汇聚节点多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者互联网或者 卫星卫星到达数据处理中心管理节点。用户通过管理节点沿着相反的方向 对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 无线传感器网络物理体系结构 u传感器节点包括传感器节点包括 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块 无线传感器网络物理体系结构 u汇聚节点汇聚节点 连接传感器网络和Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通 信协议的转换，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转 发到外部网络上。

6、汇聚节点即可是一个具有增强功能的传感器节点， 也可是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网管设备。 无线传感器网络物理体系结构 u管理节点管理节点 即用户节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理， 发布监测任务以及收集监测数据。 无线传感器网络软件体系结构 无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次： 网络适配层网络适配层、基础软件层基础软件层、应用开发层应用开发层和应用业务适配层应用业务适配层。其中，网 络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在 无线传感器网络节点中)的体系结构，应用开发层和基础软件层组成 无线传感器网络应用支撑结构(支持应用业务的开发与

7、实现)。 无线传感器网络通信体系结构 u传统网络协议传统网络协议OSIOSI参考模型参考模型 开放式系统互联网络参考模型( OSI )共有7个层次，如下图所示。 从底向上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示 层和应用层。除物理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通 信。 开放式系统互联（OSI）协议参考模型 无线传感器网络的协议栈 从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络 通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成。通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成。 网络通信协议网络管理平台 应用

8、支撑平台 无线传感器网络节点的体系组成 无线传感器网络的协议栈 u 类似于传统类似于传统InternetInternet网络中的网络中的TCP/IPTCP/IP协议体系，它由物理层、数据协议体系，它由物理层、数据 链路层、网络层、传输层和应用层组成，如下图所示。链路层、网络层、传输层和应用层组成，如下图所示。MACMAC层和物理层层和物理层 协议采用的是国际电气电子工程师协会协议采用的是国际电气电子工程师协会(The Institute of Electrical (The Institute of Electrical and Electronics Engineersand Electro

9、nics Engineers，IEEE)IEEE)制定的制定的IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4协议。协议。 传感器网络通信协议的分层结构 物理层 1 1物理层的基本概念物理层的基本概念 在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介 质上传输数据的比特流。国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)对开放系统互联(Open System Interconnection，OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理 层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连建立、维护和释放数

10、据链路实体之间的二进制比特传输的物理连 接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。从定义可以看出， 物理层的特点是负责在物理链接上传输二进制比特流在物理链接上传输二进制比特流，并提供为建立、 维护和释放物理链接所需要的机械、电气、功能和规程的特性。 u主要功能：主要功能： 为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据 的通路。 传输数据。 其他管理工作（如：信道状态评估、能量检测等）。 1.物理层的基本概念 u通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述，这 四个特性的内容是指： 机械特性：机械特性： 规

11、定了物理链接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排 列情况等。 电气特性电气特性 规定了在物理链接上传输二进制比特流时，线路上的信号的电平高低、阻抗以及 阻抗匹配、传输速率与距离限制。 功能特性功能特性 规定了在物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分 为数据线、控制线、定时线和地线。 规程特性。规程特性。 定义了信号线进行二进制比特流传输时的一组操作过程，包括个信号线的工作规 则和时序。 2. 无线通信物理层的主要技术 无线通信物理层的主要技术包括介质的选择介质的选择、频段的频段的 选择选择、调制技术调制技术和扩频技术扩频技术。 u介质和频段选择介质和

12、频段选择 无线通信的介质包括电磁波电磁波和声波声波。电磁波是最主要的无线通信介 质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分 为无线电波、微波、红外线和光波等，其中无线电波在无线网络中使无线电波在无线网络中使 用最广泛用最广泛。无线电波的传播特性与频率相关。 2. 无线通信物理层的主要技术 u调制技术调制技术 调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信号源的编码 信息信息( (即信源即信源) )含有直流分量和频率较低的频率分量含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号基带信号。 基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带 频率而言频率非

13、常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通 信号称为已调信号，而基带信号基带信号称为调制信号调制信号。 调制调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号 幅度的变化而变化。解调解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的 接收者(信宿)处理和理解的过程。 根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制幅度调制(Amplitude Modulation，AM)、频率调制频率调制(Frequency Modulation，FM)和相位调相位调 制制(Phase Modulation，PM) 2. 无线通信物理层的主要技术 u扩频技术扩频技术 扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频

14、通信技术是一种信息传输方式，扩频通信技术是一种信息传输方式， 其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通 过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据 无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。 扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，D

15、SSS)、跳频跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS)、跳时跳时(Time Hopping Spread Spectrum，THSS)和宽带线性宽带线性 调频扩频调频扩频(chirp Spread Spectrum，chirp-SS，简称切普扩频)。 2. 无线通信物理层的主要技术 u扩频技术扩频技术 直接序列扩频：直接序列扩频：直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展 信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频 信号还原成原来的信号。 跳频：跳频：利用整个带宽（频谱）并将其分割为更小的子通道。发送方和接 收方在每个通道上

16、工作一段时间，然后转移到另一个通道。发送方将第 一组数据放置在一个频率上，将第二组数据放置在另一个频率上，以此 类推。 跳时：跳时：是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在 一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为： 用一定码序列进行选择的多时片的时移键控 宽带线性调频扩频：宽带线性调频扩频：如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的 频率作线性变化，则称为线性调频 3. 无线传感器网络物理层的特点 无线传感器网络的低能耗、低成本、微型化低能耗、低成本、微型化等特点，以及 具体应用的特殊需求给物理层的设计提出了挑战，在设计 时需要重点考虑以下问题： (1

17、)(1)调制机制。调制机制。 (2)(2)与上层协议结合的跨层优化设计。与上层协议结合的跨层优化设计。 (3)(3)硬件设计。硬件设计。 传感器网络物理层的设计 1 1传输介质传输介质 目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电无线电、红外线红外线和 光波光波等。 在无线电频率选择方面，ISM ISM 频段频段是一个很好的选择。因为ISM频 段在大多数国家属于无需注册的公用频段。 传感器网络物理层的设计 1 1传输介质传输介质 无线传感器网络结点之间通信的另一种手段是红外技术红外技术。红外通 信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强无须注册，并且抗干扰能力强。基于红外线的接收机 成本更低，也很

18、容易设计。目前很多便携式电脑、PDA和移动电话 都提供红外数据传输的标准接口。红外通信的主要缺点是穿透能穿透能 力差力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致了红外难 以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合 得到应用。 传感器网络物理层的设计 2 2帧结构帧结构 下表描述了无线传感器网络结点普遍使用的一种物理层帧结构。 由于目前还没有形成标准化的物理层结构，所以在实际设计时都 是在该物理层帧结构的基础上进行改进。 传感器网络物理层的设计 物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4，用于收发器进行码片或 者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结 束，

19、数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。 帧长度字段通常由一个字节的低7位表示，其值就是后续的物理层PHY负 载的长度，因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节。 物理帧PHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service Data Unite，PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。 传感器网络物理层的设计 3 3物理层设计技术物理层设计技术 物理层主要负责数据的硬件加密、调制解调、发送与接收，是决 定传感器网络结点的体积、成本和能耗的关键环节。物理层的设物理层的设 计目标计目标是以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量以尽可能少的能量消耗获得较大

20、的链路容量。为了确保 网络运行的平稳性能，该层一般需要与MAC层进行密切交互。 物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段编码调制技术、通信速率和通信频段等问题： (1)编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列 的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控 和各种扩频技术。 (2)提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要 同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数 据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。 数据链路层协议 数据链路层主要负责多路数据流、数据结构探测、媒体多路数据流、数据结构探测、媒

21、体 访问和误差控制，从而确保通信网络中可靠的访问和误差控制，从而确保通信网络中可靠的Point-to-Point-to- PointPoint与与Point-to-MultipointPoint-to-Multipoint连接连接。然而，无线传感网络协 作与面向应用的性质，以及无线传感节点的物理约束(例如 能量和处理能力约束)决定了完成这些功能的方式。 1 1媒体访问控制媒体访问控制 多跳自组织无线传感网络MAC层协议需要实现两个目标： （1)对于感知区域内密集布置节点的多跳无线通信，需要建立 数据通信链接以获得基本的网络基础设施。 （2)为了使无线传感节点公平有效地共享通信资源，需要对共 享

22、媒体的访问进行管理。 数据链路层协议 1 1媒体访问控制媒体访问控制 无线传感网络的MAC协议必须具有固定能量保护、移动性 管理和失效恢复策略。 考虑现有的MAC解决方案，主要包含以下几种访问方式： (1)(1)基于基于TDMATDMA的媒体访问的媒体访问 (2)(2)基于混合基于混合TDMA/FDMATDMA/FDMA的媒体访问的媒体访问 (3)(3)基于基于CSMACSMA媒体访问媒体访问 数据链路层协议 2 2误差控制误差控制 一般基于ARQ(自动重发请求)的误差控制主要采用重 新传送恢复丢失的数据包/帧。虽然其他无线网络的数据 链路层利用了基于ARQ的误差控制方案，但由于无线传感 节点

23、能量与处理资源的不足，无线传感网络应用中ARQ的 有效性受到了限制。另外，FEC(前向纠错)方案具有固有 的解码复杂性，需要无线传感节点消耗大量处理资源。 因此，具有低复杂度编码与解码方式的简单误差控制码低复杂度编码与解码方式的简单误差控制码 可能是无线传感网络中误差控制的最佳解决方案。 网络层协议 无线传感网络的网络层通常根据下列原则进行设计： (1) 能量有效性能量有效性是必须考虑的关键问题； (2) 多数无线传感网络以数据为中心以数据为中心； (3) 理想的无线传感网络采用基于属性的寻址和位置感知基于属性的寻址和位置感知方式； (4) 数据聚集仅在不妨碍无线传感节点的协作效应时是有效的；

24、 (5) 路由协议易于与其它网络(例如Internel)相结合。 网络层协议 无线传感网络的网络层通常根据下列原则进行设计： (1) 能量有效性能量有效性是必须考虑的关键问题； (2) 多数无线传感网络以数据为中心以数据为中心； (3) 理想的无线传感网络采用基于属性的寻址和位置感知基于属性的寻址和位置感知方式； (4) 数据聚集仅在不妨碍无线传感节点的协作效应时是有效的； (5) 路由协议易于与其它网络(例如Internel)相结合。 网络层协议 网络层设计原则之一是易于与其他网络相结合，如下图所示， Sink节点作为其他网络的网关，是通信中枢。用户可根据查询目 的或应用类型通过Intern

25、et或卫星网络查询无线传感网络。 网络层协议 网络技术领域的发展水平见下表，表中列举的方案采用了上述的 一些设计原则。SMECN生成了无线传感网络能量有效的分网图， 目的是在保持网络节点连通性的条件下使能耗最小化。另外，定 向扩散协议是一种数据中心的分发协议，采用基于属性的命名方 案进行数据的查询和收集。 传输层协议 传输层的主要目标是：传输层的主要目标是： 采用多路技术和分离技术多路技术和分离技术作为应用层和网络层的桥梁； 根据应用层的特定可靠度需求在源节点和汇节点间提 供带有误差控制机制的数据传递服务误差控制机制的数据传递服务； 通过流动和拥塞机制流动和拥塞机制调节注入网络的信息量。 传输

26、层协议 Event-to-SinkEvent-to-Sink传输传输： 无线传感网络传输层的传输层的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠度可靠度是必要的，包括了事件事件 特征到特征到SinkSink节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传 感报告感报告/ /数据包进行基于数据包的可靠传递数据包进行基于数据包的可靠传递。下图说明了以收集事件 到Sink节点数据流的识别符为基础的Event-to-Sink可靠传输概念。 注：汇聚节点感兴趣的是事件范围内无线传感器节点的集体信息而不是个别数据。 传输层协议 与常规End-

27、to-End可靠度传输层协议不同，事件到中心节点可靠传输(ESRT， Event-to-Sink Reliable Transport)协议以Event-to-Sink可靠度概念为基 础，提供了不需要任何中介存储的可靠事件探测。ESRT是一种新的数据解决 方案，其目的在于用最少的能量花费完成可靠事件探测。其中包括拥塞控制 部分，可实现可靠和节能的双重目标实现可靠和节能的双重目标。同时，ESRT不需要各个传感器的标识 符，仅需要事件ID。且ESRTESRT算法主要在算法主要在SinkSink节点上运行节点上运行，使资源有限的无线 传感节点需要完成的工作量最小化。 注：汇聚节点感兴趣的是事件范围内

28、无线传感器节点的集体信息而不是个别数据。 应用层协议 u传感器管理协议传感器管理协议 系统管理通过采用传感器管理协议(SMP，Sensor Management Protocol)与无线传感网络进行交互。无线 传感网络与其他很多网络不同，节点没有全局ID，而且 一般缺少基础设施。因此，SMP需要采用基于属性的命名基于属性的命名 和基于位置的选址基于位置的选址对节点进行访问。 SMPSMP是提供软件操作的管理协议，这些软件操作是以下管理任务是提供软件操作的管理协议，这些软件操作是以下管理任务 所必需的：所必需的： 将与数据聚集、基于属性的命名和聚类相关的规则引入无线传感节点； 交换与位置搜寻相关

29、的数据； 无线传感节点的时钟同步； 移动无线传感节点； 打开和关闭无线传感节点； 查询无线传感网络设置和节点状态，重新设置无线传感网络； 认证、密码分配与数据通信安全。 应用层协议 u任务分派与数据广播协议任务分派与数据广播协议 无线传感网络的另一个重要操作是“兴趣兴趣”分发分发。用 户向无线传感节点、节点的子集或整个网络发送其“兴 趣”内容。此“兴趣”内容可与观察对象的某种属性相 关，或者与一个触发事件相关。另一种方式是对可用数 据进行广播广播。无线传感节点将可用数据广播给用户，而 用户查询其感兴趣的数据。应用层协议为用户软件提供 了“兴趣”分发的有效接口的，对较低层操作(例如路由) 十分有

30、用。 应用层协议 u传感器查询与数据分发协议传感器查询与数据分发协议 传感器查询和数据分发协议(SQDDP，Sensor Query and Data Dissemination Protocol)为用户应用提供了问题查询、查询响 应和搜集答复的接口。这些查询一般不向特定节点发送，而是采 用了基于属性或位置的命名。 传感器查询和任务语言(SQTL，Sensor Query and Tasking Language)提供了更多服务种类。 无线传感器网络跨层设计 u 分层设计方法分层设计方法 现有的因特网或者是传 统的无线网络(如蜂窝和无 线局域网，以及移动自组织 网络)中，大多数设计者都 采用分

31、层设计分层设计指导思想 。 右图给出了一个采用分层设 计方法实现的无线网络设计 协议栈示意图，其中每个相 邻层次之间可以实现一定的 自适应调节，从而优化原有 的网络系统。 跨层设计方法跨层设计方法 所谓跨层设计的定义跨层设计的定义：是针对特定的分层结构而言的，一切一切 不符合参考分层通信结构的协议设计不符合参考分层通信结构的协议设计称为跨层设计跨层设计。 对于跨层设计的概念，再给出了三种补充解释。 不符合分层结构不符合分层结构的例子包括创建协议层间新的接口，重新定义 协议层的边界，基于另外一个层设计的细节来设计一个协议层， 以及联合调节跨层参数等。 分层结构的破坏也意味着放弃在不同层独立设计协

32、议的奢望。 跨层设计的协议提供了其他层处理的一些条件。 跨层设计是定义为一种协议设计的方法一种协议设计的方法。然而，采用这种方法 设计的协议大家通常称为跨层设计。 通常，实现无线网络的跨层设计的信息交互主要有 以下三个途径。 协议层之间直接进行通信直接进行通信； 通过共享信息或数据库共享信息或数据库来进行信息交互； 采用全新的数据抽象结构全新的数据抽象结构，如采用与分层协议栈结 构完全不同的堆结构堆结构来组织协议。 跨层设计方法跨层设计方法 跨层设计方法跨层设计方法 右图给出了一个无线传感器网络的无线传感器网络的 理想跨层设计模型理想跨层设计模型。各个协议层之 间相互依赖，彼此协作，目标就是

33、尽系统所能，最大限度地满足用户 应用的需求。可以看出，跨层设计 除了包括各个协议层间的自适应问各个协议层间的自适应问 题题，而且还包括了各个层之间相互各个层之间相互 协作和共享信息和资源协作和共享信息和资源，以便获取 最佳性能准则，如最小的连接链路 维护成本、更低的延迟和最长的系更低的延迟和最长的系 统寿命统寿命等。 在系统约束限制下的跨层交互和协作在系统约束限制下的跨层交互和协作 跨层设计方法跨层设计方法 B.Raman等人提出了几种不同的跨层设计组合解决方案，并且证实 了对于特定的应用，如蓝牙无线传感器网络蓝牙无线传感器网络，相比传统的分层设 计方法，跨层优化确实带来了更好的系统性能。它们

34、采用的跨层 设计成功的关键就是把握了四个要素四个要素：采用按需操作采用按需操作；对高层需对高层需 求的感知求的感知；缓存了业务的描述缓存了业务的描述以及采用了相同范围内的操作采用了相同范围内的操作。下 图就是跨层设计和组合优化前后的协议栈对比图。 跨层设计的必要性跨层设计的必要性 1 1无线信道的动态性无线信道的动态性 2 2无线传感器网络节点的能量受限无线传感器网络节点的能量受限 3 3传统通信系统分层参考模型的弊端传统通信系统分层参考模型的弊端 跨层设计的必要性跨层设计的必要性 1 1无线信道的动态性无线信道的动态性 指无线信道的物理特性，包括信道传播的开放性和信道参量的 时变性，使无线信

35、道变成了一种不稳定的传输介质，从而影响了传 输的可靠性。 2 2无线传感器网络节点的能量受限无线传感器网络节点的能量受限 3 3传统通信系统分层参考模型的弊端传统通信系统分层参考模型的弊端 传统通信网络的系统设计严格采用OSI参考分层的结构 模型，这种模块化的设计方法减少了系统的复杂度，满足 了一定软件的封装隐蔽的要求，但无线传感器网络的传输 信道不确定，节点能量的最小化以及节点移动带来的拓扑 变化等因素使得分层结构模型难以满足用于应用的需求。 跨层设计的必要性跨层设计的必要性 下图给出了一个采用分层和跨层设计的无线传感器网络协 议体系结构对比。 无线传感器网络跨层设计主要技术 根据优化参数选

36、取的不同和系统优化的目标和应用的不同， 常见的跨层设计技术主要理论方法分为以下几种常见的跨层设计技术主要理论方法分为以下几种。 分析法分析法：通过拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法、凸优化凸优化等把问题近 似简化，得到快速收敛算法和分析结果。 最优控制法最优控制法：通过最优控制，可以将无线通信系统 的跨层优化转化为约束优化类问题。 无线传感器网络跨层设计主要技术 博弈论法博弈论法：在多用户的无线传感器网络中，单个节点 并不了解其它节点的状态并不了解其它节点的状态，因而无法协同共享网络资源， 只能以分布式方式从自身利益角度出发来竞争网络的有竞争网络的有 限资源限资源。可以通过博弈论中的纳氏均衡理论来协调各个博弈论中的纳氏均衡理论来协调各个 传感器网络节点的行为，从而达到网络的最佳性能传感器网络节点的行为，从而达到网络的最佳性