無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議研究進展

鄧安遠，于林峰

九江學院信息科學與技術(shù)學院，江西九江 332005

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議研究進展

鄧安遠，于林峰

九江學院信息科學與技術(shù)學院，江西九江 332005

本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并說明標準TCP協(xié)議不能直接用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原因。在指出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議設(shè)計約束的基礎(chǔ)上，對其研究現(xiàn)狀進行綜述。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）；協(xié)議棧；傳輸協(xié)議研究；綜述

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Networks) 被認為是本世紀最重要的技術(shù)之一，已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。WSN綜合了通信、傳感器、分布式信息處理、嵌入式等技術(shù)，通常由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點組成，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知目標區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象的信息，廣泛應用于國防、智能建筑、公共安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭等方面[1-3]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是資源（特別是能量）受限的，無法長時間維持大量信息傳輸。從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的角度來研究能量的有效性或如何節(jié)省能量以便延長網(wǎng)絡(luò)壽命，是人們關(guān)注的重點之一。

以往，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究熱點主要集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。關(guān)于傳輸層協(xié)議的研究較少且不成熟。近來，這方面的研究有逐漸增加的趨勢。

本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，其次分析了標準TCP協(xié)議直接用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足之處，最后指出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的設(shè)計約束條件。并以此為基礎(chǔ)，對目前國內(nèi)關(guān)注仍不多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議研究進行綜述。

1 WSN協(xié)議棧

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應用層5部分組成，和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應[4]。如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

物理層：數(shù)據(jù)收集、采樣、發(fā)送、接收，以及信號的調(diào)制解調(diào)。

數(shù)據(jù)鏈路層：媒體接入控制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間可靠通信鏈路的建立，為鄰居節(jié)點提供可靠的通信通道。

網(wǎng)絡(luò)層：發(fā)現(xiàn)和維護路由。

應用層：提供安全支持，實現(xiàn)密鑰管理和安全組播。

傳輸層：為端到端的連接提供可靠的傳輸、流量控制、差錯控制、QoS等服務。即便是在OSI模型中也只有該層是負責總體數(shù)據(jù)傳輸和控制的，因此非常重要。

2 標準TCP協(xié)議用于WSN時的不足

標準TCP協(xié)議是因特網(wǎng)的主要傳輸協(xié)議，提供可靠的端到端的傳輸服務。但由于以下幾個主要原因，使得TCP協(xié)議不能直接用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：

1）數(shù)據(jù)丟包與重傳。TCP假設(shè)所有的數(shù)據(jù)丟包都是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的，一旦檢測到丟包時，就會啟動相應的擁塞控制機制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，反映同一事件的多個數(shù)據(jù)包有很強的數(shù)據(jù)相關(guān)性，所以需要在中間（匯聚）節(jié)點上進行數(shù)據(jù)融合后再發(fā)送新數(shù)據(jù)包。標準TCP協(xié)議會認為這一過程中出現(xiàn)了丟包，因此就啟動擁塞控制機制，引發(fā)重傳。同時，數(shù)據(jù)包的亂序傳輸，也會啟動擁塞控制機制，引發(fā)重傳[4-5]。

TCP中確保數(shù)據(jù)包重傳的方法包括ACK反饋機制等。如果用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，則大量ACK確認和傳輸，以及數(shù)據(jù)包重傳都要消耗所經(jīng)路徑上的節(jié)點能量，縮短網(wǎng)絡(luò)生存期。

2）傳輸協(xié)議的可靠性。TCP協(xié)議的可靠性是指，力保接收節(jié)點正確收到發(fā)給它的數(shù)據(jù)包，即其度量是基于數(shù)據(jù)包的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸協(xié)議的可靠性是指，最終獲得的數(shù)據(jù)以一定的逼真度來描述對象的真實狀況即可，數(shù)據(jù)包不必完全可靠地傳輸，即其度量是基于事件的。這是因為同一對象可能被多個節(jié)點所監(jiān)測，導致強數(shù)據(jù)相關(guān)和冗余[5]。

3）節(jié)點地址。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的地址可能是局部獨立的，或位置相關(guān)的，或無網(wǎng)絡(luò)地址，而TCP協(xié)議卻要求每個節(jié)點的地址是唯一的，所以無法直接使用該協(xié)議[6]。

3 WSN傳輸協(xié)議設(shè)計約束條件

對于某個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，如果只在其內(nèi)部傳遞信息，則傳輸層并非是必需的。而當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)連接時，就必須要有傳輸層協(xié)議[5]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點的能量、命名、數(shù)據(jù)處理等方面的特點，使得傳輸控制難度較大。其傳輸層協(xié)議設(shè)計需要特殊的技術(shù)和方法。與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議設(shè)計相比，其主要設(shè)計約束包括：

1）能量受限。能量是必須重點考慮的受限資源。設(shè)計傳輸層協(xié)議時，既要避免選擇擁塞的節(jié)點，更要適應網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點能量的約束。這也是為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議研究非常熱烈的原因之一，即如何節(jié)省能量[3，5]。

2）數(shù)據(jù)融合。如前所述，針對一個對象，有來自多個節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)包，它們之間存在很強的相關(guān)和冗余。因此，數(shù)據(jù)傳輸不像傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)那樣，強調(diào)吞吐量和完全正確接收，而是需要在匯聚節(jié)點處進行以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合，以消除匯聚節(jié)點處的擁塞，降低能量消耗、提高數(shù)據(jù)傳輸速率[6]。

3）數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入了簇端點的概念，即把反映同一事件特征的一群節(jié)點聚合為一個虛擬連接端點。這對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在傳輸機制方面提出了新挑戰(zhàn)，如通信原語、數(shù)據(jù)融合、包排序、可靠傳輸?shù)萚3，5，6]。

4）可靠性度量。如前文所述。

另外，協(xié)議的簡單、魯棒和可擴展性也是需要解決的。

4 WSN傳輸協(xié)議研究進展

文獻[7]認為，當前對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議研究的工作還是側(cè)重于擁塞控制和可靠保證。該研究將擁塞控制分為流量控制、多路分流、數(shù)據(jù)聚合和虛擬網(wǎng)關(guān)等；可靠保證則包括數(shù)據(jù)重傳、冗余發(fā)送。

流量控制中，ERST、PORT和IFRC協(xié)議是基于報告速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議；Fusion、CCF是基于轉(zhuǎn)發(fā)速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議，適合要求數(shù)據(jù)逼真度較高的網(wǎng)絡(luò)；Buffer-based、PCCP、CODA則是基于綜合速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議。

ERST考慮了可靠性和能耗的因素，通過調(diào)整報告速率來減輕擁塞；PORT協(xié)議則將報告速率調(diào)整問題建模為優(yōu)化問題，解決ERST的不足；IFRC則著重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個節(jié)點所分享。

Fusion采用了令牌桶機制，節(jié)點要按照一定規(guī)則積累令牌，且發(fā)送一次數(shù)據(jù)就消耗一個令牌；CCF用速率比較的方法，擁塞發(fā)生時節(jié)點將自身轉(zhuǎn)發(fā)速率與父節(jié)點告知的轉(zhuǎn)發(fā)速率比較，以其中較小的值來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

Buffer-based采用基于緩沖區(qū)的輕量級控制機構(gòu)。發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，要求節(jié)點監(jiān)聽鄰居節(jié)點的緩沖區(qū)溢出否；PCCP對數(shù)據(jù)流賦與不同的加權(quán)優(yōu)先級，來保證調(diào)整公平性；CODA結(jié)合了開環(huán)和閉環(huán)控制方式來解決擁塞。網(wǎng)絡(luò)流量突發(fā)導致局部短暫擁塞時就啟用開環(huán)控制。同時，若某被監(jiān)測事件的發(fā)生頻率低于設(shè)定的信道吞吐量，源節(jié)點即可自行調(diào)整報告速率，否則就啟動閉環(huán)擁塞控制。

多路分流就是通過多路轉(zhuǎn)發(fā)來分散流量，解決擁塞問題。其中，ARC協(xié)議是利用網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點構(gòu)建新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，CAR與ARC方法相近，BGR則是在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴大轉(zhuǎn)發(fā)路徑的可選范圍。

數(shù)據(jù)聚（融）合的必要性和重要性前文已述。文獻[7]研究的協(xié)議包括CONCERT和PREI。前者采用適應性聚合，后者將網(wǎng)絡(luò)劃分為大小相同的網(wǎng)絡(luò)，對來自同一網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進行聚合。

可靠性方面，數(shù)據(jù)重傳協(xié)議包括網(wǎng)關(guān)向節(jié)點、節(jié)點向網(wǎng)關(guān)和雙向可靠保證3類；冗余發(fā)送則包括拷貝發(fā)送（AFS、Reinform、MMSPEED、GRAB）和編碼冗余。

PSFQ、GARUDA是網(wǎng)關(guān)向節(jié)點的。前者用緩發(fā)快取進行控制，后者則建立層次結(jié)構(gòu)，進行階段性丟包恢復。RMST、RBC是節(jié)點向網(wǎng)關(guān)的。前者是基于單路由協(xié)議設(shè)計的，除了原有的由數(shù)據(jù)源到網(wǎng)關(guān)的方向之外，增加了后向路徑，用于反饋丟包。BRTM是雙向可靠保證的。

文獻[8]介紹了5種隨機投遞傳輸協(xié)議并分別對它們建模分析，在仿真對比的基礎(chǔ)上做出了相關(guān)結(jié)論。這些協(xié)議包括：

1）逐跳可靠傳輸協(xié)議HHR、帶應答的逐跳可靠傳輸協(xié)議HHRA

后者是前者的一個變體。HHR是最簡單的該類協(xié)議。協(xié)議中，某轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點將同一數(shù)據(jù)包向其下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行多次發(fā)送。只要下一跳節(jié)點收到重發(fā)數(shù)據(jù)包一份副本，它就會繼續(xù)發(fā)送。HHRA則要求轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點等待來自接收者的應答包。若收到應答包，則終止本跳后續(xù)副本的轉(zhuǎn)發(fā)。

2）逐跳廣播傳輸協(xié)議HHB、帶應答的逐跳廣播傳輸協(xié)議HHBA

后者是前者的一個變體。HHB中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點向其多個下一跳鄰節(jié)點多次發(fā)送同一數(shù)據(jù)包。若任何一個鄰節(jié)點成功接收到至少一個數(shù)據(jù)包，它就繼續(xù)以一定概率轉(zhuǎn)發(fā)此包。HHBA則引入應答機制來增加傳輸可靠性，并減少傳輸時能量的消耗。

3）ReInforM協(xié)議

該協(xié)議在多條隨機路徑上同時發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的多個副本，以此來產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，提高傳輸可靠性。

文獻的仿真研究證明，逐跳應答機制是改善隨機投遞傳輸協(xié)議性能的重要方法之一。

值得注意的還有該文獻所采用的建模分析方法：有限狀態(tài)離散時間的馬爾科夫鏈（FSMC）模型。該模型有效簡化了理論分析過程，公式直觀。并且為源節(jié)點提供了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)選擇最適合當前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的隨機投遞傳輸協(xié)議的機會和手段。

文獻[9]研究了機會協(xié)作傳輸?shù)男阅堋＠眠m合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際情況的Nakagami建模無線信道，研究節(jié)點能耗對機會協(xié)作傳輸?shù)挠绊憽７抡孀C明，機會協(xié)作機制受節(jié)點能耗的影響明顯，該機制能有效提高系統(tǒng)性能。

文獻[10]研究了基于分簇的協(xié)同傳輸協(xié)議。分析了傳輸效能和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的改善。協(xié)議分為四步：1）分簇，即確定簇頭并在各簇內(nèi)確定協(xié)同傳輸?shù)墓?jié)點；2）簇內(nèi)信息傳輸；3）簇內(nèi)協(xié)同節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；4）匯聚節(jié)點接收和檢測信號。該協(xié)議的主要問題是協(xié)同節(jié)點間的同步。研究者相信，這種技術(shù)可用于無線自組織網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)等多種場合。

文獻[11]研究了實時傳輸協(xié)議。主要研究了SPEED協(xié)議，并在TinyOS1.1.11和Crossbow公司的Micaz節(jié)點搭建的平臺上進行了實驗。

另外，還有少量與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議有關(guān)的研究工作。但不是完全針對傳輸層的。而是提出一種解決方案，沒有對包括傳輸層在內(nèi)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議綜合研究進行論述。

5 結(jié)論

對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的研究還不是很多，研究成果少。目前的研究多是針對不同問題來探討，不夠統(tǒng)一、系統(tǒng)和完整，與實際應用距離較大，大量問題尚待發(fā)現(xiàn)和解決。

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[10] 趙海濤，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于分簇的協(xié)同傳輸協(xié)議[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（4）.

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TP393

A

1674-6708（2010）18-0135-02

鄧安遠，九江學院信息科學與技術(shù)學院，研究方向：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用本文為九江學院科研課題（09kj26）