传感器网络的结构分析

传感器网络由基站和大量的结点组成。例如，战场上布置的大量结点，结点上的传感器感知战场信息，微处理器对原始数据进行初步处理，由无线收发模块将数据发送给相邻结点。数据经传感器网络结点的逐级转发，最终发送给基站，由基站通过串口传给主机，从而实现对战场的监控。

在传感器网络中，结点任意部署在被监测区域内，这一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。结点以自组织形式构成网络。根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。

1）平面结构

平面结构的传感器网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。图1－9是传感器网络的平面结构示意图。

图1－9　传感器网络的平面结构示意图

当然，在无线自组织传感器网络中，由于结点较多且密度较大，平面型传感器网络结构在结点组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率，严重情况下甚至会造成整个网络的崩溃。另外，报文作为网络中交换与传输的数据单元，结点在进行报文传输时，由于所有结点都起着路由器的作用，因而某个结点如果要发送报文，那么会使得在这个结点和基站接收器之间有大量的结点参与存储转发工作，从而使整个系统在宏观上将损耗很大的能量。平面型传感器网络结构还有一个缺点就是可扩充性差，每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。

2）分级结构

在分级结构中，传感器网络被划分为多个簇（cluster），每个簇由一个簇头（cluster head）和多个簇成员（cluster member）组成。这些簇头形成了高一级的网络，簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制消息的数量，因此具有很好的可扩充性。(www.xing528.com)

簇头可以预先指定，也可以由结点使用分簇算法自动选举产生。由于簇头可以随时选举产生，所以分级结构具有很强的抗毁性。图1－10是传感器网络的分级结构示意图。

图1－10　传感器网络的分级结构示意图

分级型网络结构存在的问题就是簇头的能量消耗问题。簇头发送和接收报文的频率要高出普通结点几倍至十几倍，它在发送、接收报文时会消耗很多的能量，而且很难进入休眠状态，因而要求可以在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。

分级结构比平面结构复杂得多，它解决了平面结构中的网络堵塞问题，整体消耗能量较少，因而实用性更高。

无线传感器网络的部署一般通过飞行器空投或通过炮弹、火箭、导弹等进行发射来执行。当飞机到达传感器部署区域时，将携带的传感器空投，结点随机地分布在感知区域。当传感器结点落地之后，这些结点进入自检启动的唤醒状态，搜寻相邻结点的信息并建立路由表。每个结点都与周围的结点建立联系，形成一个自组织的无线传感器网络（如图1－11所示），实现感知所在区域的信息并通过网络传输数据。

图1－11　无线传感器自组网过程示意图