無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問題涉及到多個(gè)方面。 先，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是組網(wǎng)的 要問題，它決定著網(wǎng)絡(luò)的互連方式，物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)議層次等一系列關(guān)鍵技術(shù)。另外，網(wǎng)絡(luò)的編址尋址和路由也是組網(wǎng)問題中的內(nèi)容，針對(duì)特定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用，應(yīng)該有合適的編址尋址機(jī)制相對(duì)應(yīng)。還有，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)苛的能量約束，能量效率始終是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的核心問題和重大挑戰(zhàn)。通過合理的網(wǎng)絡(luò)部署來降低網(wǎng)絡(luò)的能耗也是組網(wǎng)問題的一個(gè)核心內(nèi)容。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可以分為四個(gè)階段，不同的階段具有不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 代傳感器網(wǎng)絡(luò)是由簡(jiǎn)單模擬信號(hào)傳輸功能的傳感器組成的點(diǎn)到點(diǎn)輸出的測(cè)控系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只實(shí)現(xiàn)了信息的單向傳輸。 代傳感器網(wǎng)絡(luò)是由智能傳感器和現(xiàn)場(chǎng)控制站組成的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。傳感器與現(xiàn)場(chǎng)控制站間的信息依然是模擬信號(hào)，但現(xiàn)場(chǎng)控制站間的通信是數(shù)字化的。傳感器之間基本上沒有組網(wǎng)而是直接與控制站通信。第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的架構(gòu)。通過現(xiàn)場(chǎng)總線的全數(shù)字、雙向通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器之間的組網(wǎng)與傳感信息的傳輸。到了第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用對(duì)測(cè)控系統(tǒng)要求不斷提高，一方面需要大量傳感器密集分布在監(jiān)控區(qū)域，另一方面，還需要傳感器之間能夠自組織組網(wǎng)，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就應(yīng)運(yùn)而生。傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用無線通信，并且能夠根據(jù)自身位置和能量情況自組織組網(wǎng)。這種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)由于具有廣闊的應(yīng)用前景，引起各國(guó)機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，開展了如PicoRadio、WINS、SmartDust、μAMPS、SCADDS等許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在發(fā)展過程中也出現(xiàn)了多種變化。
早期的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)考慮的是部署在同一監(jiān)測(cè)區(qū)域的同一類型傳感節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)，可以分為平面組織結(jié)構(gòu)和分層組織結(jié)構(gòu)。平面組織結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，既采集數(shù)據(jù)又進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，傳感數(shù)據(jù)通過多跳方式傳遞到Sink節(jié)點(diǎn)。此結(jié)構(gòu)適合隨機(jī)部署的網(wǎng)絡(luò)。在分層組織結(jié)構(gòu)中，傳感網(wǎng)根據(jù)需要?jiǎng)澐殖纱兀總€(gè)簇有一個(gè)簇頭，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)給簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成上一層網(wǎng)絡(luò)，再將信息發(fā)給 高一層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這種分層組織結(jié)構(gòu)可以支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。簇頭節(jié)點(diǎn)通常是從傳感節(jié)點(diǎn)之間選舉出來的，由于節(jié)點(diǎn)的能量有限，分層結(jié)構(gòu)中通常具有節(jié)能的簇頭選舉算法，如LEACH算法等。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信有單跳和多跳兩種方式。單跳方式中所有簇群成員節(jié)點(diǎn)直接與簇頭進(jìn)行通信，但離簇頭較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)將消耗較多的能量，多跳方式中成員節(jié)點(diǎn)與簇頭通信時(shí)可利用其他節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)與簇頭通信。節(jié)點(diǎn)在傳送自身的數(shù)據(jù)之外，還負(fù)責(zé)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，也需要消耗一部分能量。典型的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)采用的樹型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，樹與樹之間類似于多個(gè)簇之間的通信。在分簇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)樹型結(jié)構(gòu)。
從分層角度來看，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。
(1)物理層
物理層提供傳感節(jié)點(diǎn)之間的物理傳輸介質(zhì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用的是無線傳輸。
(2)數(shù)據(jù)鏈路層
USN架構(gòu)中的數(shù)據(jù)鏈路層主要是負(fù)責(zé)傳感節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、多路復(fù)用、媒體接入和差錯(cuò)控制。主要由媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議實(shí)現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的MAC層協(xié)議有802.11、802.15.4等協(xié)議。
(3)網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)和路由功能。在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能量的限制和冗余分布使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線路由協(xié)議不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法需要 多地考慮能耗問題和效率問題，因此網(wǎng)絡(luò)層需要的節(jié)能路由協(xié)議。除了在網(wǎng)絡(luò)層需要考慮節(jié)能策略以外，跨層設(shè)計(jì)方法也被廣泛研究。
另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用特點(diǎn)也要求路由協(xié)議能夠基于業(yè)務(wù)特性實(shí)現(xiàn)尋址和路由。傳統(tǒng)的基于地址的尋址方式并不適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。比如在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用戶可能只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而不是某個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此尋址策略上需要將節(jié)點(diǎn)尋址轉(zhuǎn)換到區(qū)域?qū)ぶ飞蟻?。以?shù)據(jù)為中心的特性還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的融合處理上，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，可以 地支持?jǐn)?shù)據(jù)的融合處理，這對(duì)于大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)的海量數(shù)據(jù)傳輸重要。
(4)傳輸層
傳輸層用來實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)之間的端到端傳輸。無線傳感器節(jié)點(diǎn)成本低，因此節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源都有限，而且通常數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中是否 需要傳輸層是一個(gè)問題。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸控制協(xié)議(TCP)是基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中需要建立連接而占用節(jié)點(diǎn) 多地資源，對(duì)于資源有限的傳感節(jié)點(diǎn)來說要求較高，因此適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議應(yīng)該 類似于UDP這種無連接的傳輸協(xié)議。
(5)應(yīng)用層
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議和具體的應(yīng)用相關(guān)。除了可以支持在互聯(lián)網(wǎng)中的常用應(yīng)用協(xié)議外，傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用協(xié)議往往和底層采用的協(xié)議密切相關(guān)。比如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的ZigBee協(xié)議，就從物理層到應(yīng)用層都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
隨著無線傳感網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，傳感網(wǎng)的種類也越來越多，需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使得這一要求 加迫切。
