無線傳感器網絡傳輸協議研究進展

鄧安遠，于林峰

九江學院信息科學與技術學院，江西九江 332005

無線傳感器網絡傳輸協議研究進展

鄧安遠，于林峰

九江學院信息科學與技術學院，江西九江 332005

本文介紹了無線傳感器網絡協議棧，并說明標準TCP協議不能直接用于無線傳感器網絡的原因。在指出無線傳感器網絡傳輸協議設計約束的基礎上，對其研究現狀進行綜述。

無線傳感器網絡（WSN）；協議棧；傳輸協議研究；綜述

0 引言

無線傳感器網絡(WSN，Wireless Sensor Networks) 被認為是本世紀最重要的技術之一，已經成為國內外的研究熱點。WSN綜合了通信、傳感器、分布式信息處理、嵌入式等技術，通常由傳感器節點、匯聚節點和管理節點組成，能夠協作地實時監測、感知目標區域內被監測對象的信息，廣泛應用于國防、智能建筑、公共安全、環境監測、醫療衛生、家庭等方面[1-3]。

無線傳感器網絡節點是資源（特別是能量）受限的，無法長時間維持大量信息傳輸。從網絡協議的角度來研究能量的有效性或如何節省能量以便延長網絡壽命，是人們關注的重點之一。

以往，無線傳感器網絡協議的研究熱點主要集中在物理層、數據鏈路層和網絡層。關于傳輸層協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絡協議棧，其次分析了標準TCP協議直接用于無線傳感器網絡的不足之處，最后指出無線傳感器網絡傳輸協議的設計約束條件。并以此為基礎，對目前國內關注仍不多的無線傳感器網絡傳輸層協議研究進行綜述。

1 WSN協議棧

無線傳感器網絡協議棧由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層5部分組成，和互聯網協議棧的五層協議相對應[4]。如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡協議棧

物理層：數據收集、采樣、發送、接收，以及信號的調制解調。

數據鏈路層：媒體接入控制，網絡節點間可靠通信鏈路的建立，為鄰居節點提供可靠的通信通道。

網絡層：發現和維護路由。

應用層：提供安全支持，實現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據傳輸和控制的，因此非常重要。

2 標準TCP協議用于WSN時的不足

標準TCP協議是因特網的主要傳輸協議，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協議不能直接用于無線傳感器網絡：

1）數據丟包與重傳。TCP假設所有的數據丟包都是由于網絡擁塞造成的，一旦檢測到丟包時，就會啟動相應的擁塞控制機制。無線傳感器網絡中，反映同一事件的多個數據包有很強的數據相關性，所以需要在中間（匯聚）節點上進行數據融合后再發送新數據包。標準TCP協議會認為這一過程中出現了丟包，因此就啟動擁塞控制機制，引發重傳。同時，數據包的亂序傳輸，也會啟動擁塞控制機制，引發重傳[4-5]。

TCP中確保數據包重傳的方法包括ACK反饋機制等。如果用在無線傳感器網絡中，則大量ACK確認和傳輸，以及數據包重傳都要消耗所經路徑上的節點能量，縮短網絡生存期。

2）傳輸協議的可靠性。TCP協議的可靠性是指，力保接收節點正確收到發給它的數據包，即其度量是基于數據包的。無線傳感器網絡中，傳輸協議的可靠性是指，最終獲得的數據以一定的逼真度來描述對象的真實狀況即可，數據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點所監測，導致強數據相關和冗余[5]。

3）節點地址。無線傳感器網絡節點的地址可能是局部獨立的，或位置相關的，或無網絡地址，而TCP協議卻要求每個節點的地址是唯一的，所以無法直接使用該協議[6]。

3 WSN傳輸協議設計約束條件

對于某個無線傳感器網絡來說，如果只在其內部傳遞信息，則傳輸層并非是必需的。而當無線傳感器網絡與其它網絡連接時，就必須要有傳輸層協議[5]。由于無線傳感器網絡在節點的能量、命名、數據處理等方面的特點，使得傳輸控制難度較大。其傳輸層協議設計需要特殊的技術和方法。與傳統無線網絡傳輸層協議設計相比，其主要設計約束包括：

1）能量受限。能量是必須重點考慮的受限資源。設計傳輸層協議時，既要避免選擇擁塞的節點，更要適應網絡內節點能量的約束。這也是為什么無線傳感器網絡的物理層、數據鏈路層和網絡層協議研究非常熱烈的原因之一，即如何節省能量[3，5]。

2）數據融合。如前所述，針對一個對象，有來自多個節點的監測數據包，它們之間存在很強的相關和冗余。因此，數據傳輸不像傳統無線網絡那樣，強調吞吐量和完全正確接收，而是需要在匯聚節點處進行以數據為中心的網內數據融合，以消除匯聚節點處的擁塞，降低能量消耗、提高數據傳輸速率[6]。

3）數據傳輸。無線傳感器網絡中引入了簇端點的概念，即把反映同一事件特征的一群節點聚合為一個虛擬連接端點。這對無線傳感器網絡在傳輸機制方面提出了新挑戰，如通信原語、數據融合、包排序、可靠傳輸等[3，5，6]。

4）可靠性度量。如前文所述。

另外，協議的簡單、魯棒和可擴展性也是需要解決的。

4 WSN傳輸協議研究進展

文獻[7]認為，當前對于無線傳感器網絡傳輸協議研究的工作還是側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、數據聚合和虛擬網關等；可靠保證則包括數據重傳、冗余發送。

流量控制中，ERST、PORT和IFRC協議是基于報告速率調節的擁塞控制協議；Fusion、CCF是基于轉發速率調節的擁塞控制協議，適合要求數據逼真度較高的網絡；Buffer-based、PCCP、CODA則是基于綜合速率調節的擁塞控制協議。

ERST考慮了可靠性和能耗的因素，通過調整報告速率來減輕擁塞；PORT協議則將報告速率調整問題建模為優化問題，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點所分享。

Fusion采用了令牌桶機制，節點要按照一定規則積累令牌，且發送一次數據就消耗一個令牌；CCF用速率比較的方法，擁塞發生時節點將自身轉發速率與父節點告知的轉發速率比較，以其中較小的值來轉發數據包。

Buffer-based采用基于緩沖區的輕量級控制機構。發送數據包之前，要求節點監聽鄰居節點的緩沖區溢出否；PCCP對數據流賦與不同的加權優先級，來保證調整公平性；CODA結合了開環和閉環控制方式來解決擁塞。網絡流量突發導致局部短暫擁塞時就啟用開環控制。同時，若某被監測事件的發生頻率低于設定的信道吞吐量，源節點即可自行調整報告速率，否則就啟動閉環擁塞控制。

多路分流就是通過多路轉發來分散流量，解決擁塞問題。其中，ARC協議是利用網絡中的冗余節點構建新的轉發路徑，CAR與ARC方法相近，BGR則是在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴大轉發路徑的可選范圍。

數據聚（融）合的必要性和重要性前文已述。文獻[7]研究的協議包括CONCERT和PREI。前者采用適應性聚合，后者將網絡劃分為大小相同的網絡，對來自同一網格的數據進行聚合。

可靠性方面，數據重傳協議包括網關向節點、節點向網關和雙向可靠保證3類；冗余發送則包括拷貝發送（AFS、Reinform、MMSPEED、GRAB）和編碼冗余。

PSFQ、GARUDA是網關向節點的。前者用緩發快取進行控制，后者則建立層次結構，進行階段性丟包恢復。RMST、RBC是節點向網關的。前者是基于單路由協議設計的，除了原有的由數據源到網關的方向之外，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種隨機投遞傳輸協議并分別對它們建模分析，在仿真對比的基礎上做出了相關結論。這些協議包括：

1）逐跳可靠傳輸協議HHR、帶應答的逐跳可靠傳輸協議HHRA

后者是前者的一個變體。HHR是最簡單的該類協議。協議中，某轉發節點將同一數據包向其下一跳轉發節點進行多次發送。只要下一跳節點收到重發數據包一份副本，它就會繼續發送。HHRA則要求轉發節點等待來自接收者的應答包。若收到應答包，則終止本跳后續副本的轉發。

2）逐跳廣播傳輸協議HHB、帶應答的逐跳廣播傳輸協議HHBA

后者是前者的一個變體。HHB中，轉發節點向其多個下一跳鄰節點多次發送同一數據包。若任何一個鄰節點成功接收到至少一個數據包，它就繼續以一定概率轉發此包。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協議

該協議在多條隨機路徑上同時發送一個數據包的多個副本，以此來產生數據冗余，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。并且為源節點提供了根據網絡關鍵參數選擇最適合當前網絡環境的隨機投遞傳輸協議的機會和手段。

文獻[9]研究了機會協作傳輸的性能。利用適合無線傳感器網絡實際情況的Nakagami建模無線信道，研究節點能耗對機會協作傳輸的影響。仿真證明，機會協作機制受節點能耗的影響明顯，該機制能有效提高系統性能。

文獻[10]研究了基于分簇的協同傳輸協議。分析了傳輸效能和網絡吞吐量的改善。協議分為四步：1）分簇，即確定簇頭并在各簇內確定協同傳輸的節點；2）簇內信息傳輸；3）簇內協同節點向匯聚節點發送數據；4）匯聚節點接收和檢測信號。該協議的主要問題是協同節點間的同步。研究者相信，這種技術可用于無線自組織網、無線局域網及無線傳感器網等多種場合。

文獻[11]研究了實時傳輸協議。主要研究了SPEED協議，并在TinyOS1.1.11和Crossbow公司的Micaz節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絡傳輸協議有關的研究工作。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的物理層、數據鏈路層、網絡層協議綜合研究進行論述。

5 結論

對無線傳感器網絡傳輸協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，不夠統一、系統和完整，與實際應用距離較大，大量問題尚待發現和解決。

[1] 孫利民，等.無線傳感器網絡[M].清華大學出版社，2005.

[2] 任豐原，等.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003.

[3] 唐啟濤.無線傳感器網絡綜述[J].網絡安全技術與應用，2008，2.

[4] 李興凱，等.無線傳感器網絡協議棧分析[J].傳感器世界，2005，11.

[5] 李建中，等.無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發展，2008，45（1）.

[6] 吳帥飛.無線傳感器網絡傳輸協議研究分析[J].科技信息：學術研究，2007（20）.

[7] 方維維，等.無線傳感器網絡傳輸控制協議[J].軟件學報，2008，19（6）.

[8] 熊斌斌，等.無線傳感器網絡隨機投遞傳輸協議性能分析[J].軟件學報， 2009，20（4）.

[9] 顏振亞，等.無線傳感器網絡中機會協作傳輸及其性能研究[].電子與信息學報，2009，31（1）.

[10] 趙海濤，等.無線傳感器網絡中基于分簇的協同傳輸協議[J].系統工程與電子技術，2009，31（4）.

[11] 童洪亮，等.無線傳感器網絡實時傳輸協議的研究與實現[J].計算機工程與應用，2007，43（9）.

TP393

A

1674-6708（2010）18-0135-02

鄧安遠，九江學院信息科學與技術學院，研究方向：網絡技術應用本文為九江學院科研課題（09kj26）