無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究綜述

胡 明 周舒瑩

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 蕪湖 241003）

0.前言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要是利用限定能量電池的供應(yīng)特性進(jìn)行集中供電。結(jié)合以往的研究來看，早期關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究主要集中在節(jié)能方面，即利用切實(shí)可行的手段盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期，以期確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行效果。然而，介于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的運(yùn)行特點(diǎn)，很容易降低自身傳輸?shù)目煽啃?。針?duì)于此，相關(guān)人員必須結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，制定相關(guān)的對(duì)策加以解決。

1.影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的主要因素

（1）一般來說，無線通信在正式運(yùn)行的過程中，比較容易受到路徑損耗或者陰影效應(yīng)的干擾影響，而出現(xiàn)不同程度的隱患問題。其中，以中斷問題與誤碼問題為主的干擾影響較為突出，嚴(yán)重降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹1]。

（2）目前，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力與存儲(chǔ)能力過低儼然成為制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率的主導(dǎo)因素。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量問題過于突顯的時(shí)候，無線傳感器很容易出現(xiàn)擁塞問題，并相繼引發(fā)丟包問題的出現(xiàn)[2]。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題的評(píng)估分析

目前，多數(shù)應(yīng)用需要較大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為主要的支撐結(jié)構(gòu)。在這樣的趨勢之下，往往需要利用遠(yuǎn)距離傳輸方法才能夠送到匯聚節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。然而，遠(yuǎn)距離多跳很容易導(dǎo)致隱患問題的出現(xiàn)，降低整體的傳輸可靠性。并且目前，國家對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性的相關(guān)定義并未有明確的指示[3]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的綜合概述，基本上可以將網(wǎng)絡(luò)可靠性定義為：立足于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行給定的條件，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將物質(zhì)、信息以及能量等要素按照一定的方法手段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，并嚴(yán)格確保過程的安全性與可靠性。

2.1 基于可靠性研究的評(píng)估模型

在實(shí)際構(gòu)建過程中，我們往往需要從以下三個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證，目的在于判斷評(píng)估模型是否安全、合理。如：節(jié)點(diǎn)和鏈路是否具備安全性能，完成正常運(yùn)行工作；節(jié)點(diǎn)、鏈路與網(wǎng)絡(luò)之間是否處于良好運(yùn)行狀態(tài)；節(jié)點(diǎn)與鏈路之間的概率統(tǒng)計(jì)是否具備相互獨(dú)立、相互輔助的運(yùn)行關(guān)系。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性模型相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性模型在功能與性能方面，集中體現(xiàn)出安全性與可靠性。然而，需要注意的是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性評(píng)估模型多是立足于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性模型，且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身具備的動(dòng)態(tài)性、共因失效等問題，會(huì)進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽砍潭?。針?duì)于此，建議在構(gòu)建可靠性評(píng)估模型的過程中，應(yīng)該結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特性，確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全性與合理性[4]。

2.2 可靠性的近似計(jì)算方法

網(wǎng)絡(luò)可靠性的精確計(jì)算方法多種，近些年來，不少研究者選擇嘗試尋求一種切實(shí)可行的方法加以解決。然而，介于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特點(diǎn)，在近似算法的選擇方面，我們往往會(huì)以變換法、定界法等近似算法為主。具體選擇哪種近似算法，應(yīng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行功能與特性為主。

3.關(guān)于加強(qiáng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性程度的相關(guān)措施分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問世成功吸引了大量研究機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)廠商的關(guān)注。然而，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并未形成一個(gè)既定的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合目前來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要以IE8.2.15.4E、ZigBee、Z-Wave 等網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)為主[5]。

3.1 IEEE802.15.4技術(shù)

IEEE802.15.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中主要以CSMA-CA 技術(shù)為主。所謂的CSMA-CA 技術(shù)主要是指載波偵聽多路訪問技術(shù)。結(jié)合幀確認(rèn)機(jī)制與幀校驗(yàn)機(jī)制進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。一般來說，無線信道中的數(shù)據(jù)傳輸往往會(huì)受到周圍運(yùn)行環(huán)境的影響而出現(xiàn)不同程度的隱患問題，其中以誤碼率較高的問題尤為突顯。IEEE802.15.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要利用短幀格式降低出錯(cuò)率與利用MAC 幀降低出錯(cuò)率的方法，檢驗(yàn)運(yùn)行過程中的錯(cuò)誤問題。一旦發(fā)現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤問題，必須進(jìn)行及時(shí)整改。

3.2 ZigBee技術(shù)

ZIgBee 技術(shù)屬于一種具備短距離性與低功耗性的技術(shù)類型，且性質(zhì)上屬于無線通信技術(shù)。一般多用于工業(yè)生產(chǎn)、智能交通以及家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域當(dāng)中，應(yīng)用效果良好。一般來說，ZIgBee 技術(shù)在正式應(yīng)用的過程中，往往會(huì)結(jié)合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)無線域網(wǎng)進(jìn)行合理訪問與控制。多作用于網(wǎng)絡(luò)物理層與介質(zhì)訪問控制子層當(dāng)中，目前，這種作用方式已經(jīng)被大多數(shù)人所接受，基本上成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層標(biāo)準(zhǔn)的主要表現(xiàn)[6]。

4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠傳輸協(xié)議分析

4.1 重傳

基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)在發(fā)出數(shù)據(jù)之后，倘若在短時(shí)間內(nèi)并未接收到ACK，節(jié)點(diǎn)往往會(huì)采取自動(dòng)重傳數(shù)據(jù)的方式，直到ACK 接收為止。ESRT 屬于基于Sink 端進(jìn)行操作與執(zhí)行的傳輸協(xié)議，一般往往多具備高度的可靠性特點(diǎn)。其中，Sink 節(jié)點(diǎn)多會(huì)立足于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，以及用戶個(gè)人的期望，結(jié)合廣播通知源節(jié)點(diǎn)的方式，合理調(diào)整報(bào)告頻率，目的在于進(jìn)一步確保事件特征的可靠性傳輸功能不受損，至少不會(huì)出現(xiàn)堵塞問題。但是需要注意的是，在應(yīng)用重傳方式加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的過程中，必須控制好報(bào)告頻率，避免加重Sink 節(jié)點(diǎn)周圍的負(fù)載壓力，避免出現(xiàn)明顯的隱患問題，影響數(shù)據(jù)傳輸效果[7]。

4.2 混合方法

混合方法主要綜合了重傳和冗余兩種方法，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中端到端的可靠性傳輸問題，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次屬性的不同，劃分為若干個(gè)子問題。目的在于根據(jù)子問題的復(fù)雜性特征，利用啟發(fā)式算法，確保端與端的傳輸效果，最大化地加強(qiáng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃ЧＥc此同時(shí)，在物理層與MAC 層當(dāng)中，相關(guān)研究人員根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸特點(diǎn)，進(jìn)一步提出了關(guān)于功率的重傳次數(shù)的限制方法等內(nèi)容，以便更好地加強(qiáng)傳輸過程中的可靠性。需要注意的是，重傳次數(shù)需要明確目標(biāo)傳輸距離，防止出現(xiàn)傳輸隱患問題[8]。

5.結(jié)論

總而言之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)與信息物理系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，關(guān)于對(duì)其的研究與優(yōu)化工作儼然成為當(dāng)前時(shí)代的重點(diǎn)內(nèi)容。經(jīng)過多年的發(fā)展與實(shí)踐，國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本上已經(jīng)完成從單一化網(wǎng)絡(luò)體系過渡到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合體系當(dāng)中。而可靠性作為評(píng)定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)內(nèi)容，在某些層面上直接決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的應(yīng)用性能，具有重要的意義。因此，對(duì)于現(xiàn)階段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸存在的安全問題，建議研究人員必須立足于實(shí)際情況，加強(qiáng)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究力度，確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。