對幾種無線傳感器網絡傳輸協議的研究綜述

楊麗圓 張旭陽

摘要：無線傳感器網絡是一種基于分布式的并由許多傳感器網絡節點構成，節點使用無線通信技術以自組織和多跳的方式的網絡。由于無線通信鏈路受環境影響較大且資源有限，和實時變化的網絡拓撲結構，對于提供安全可靠傳輸帶來極大挑戰。本文通過對現有幾種無線傳感器網絡傳輸協議的比較研究，總結了關于擁塞控制機制和可靠傳輸協議的特點。對近些年改進協議的分析比較，指出未來的研究方向。

關鍵詞：無線傳感器網絡 可靠傳輸 擁塞控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

0 引言

隨著現代通信技術的飛速發展，衛星通信技術、無線傳感器技術、互聯網技術等在各個領域都實現了自身價值，尤其是無線傳感器網絡已經成為各大高校研究的熱點。無線傳感器網絡把通信、傳感器、信息分布式處理技術、嵌入式等技術進行了融合，一個典型的無線傳感器網絡是由網絡節點、衛星或者互聯網、接收發送器匯聚節點和任務管理節點等組成。把傳感器節點隨機放在需要監測的區域范圍內，各節點通過協作進行實時監測并感知目標區域內對象的信息。無線傳感器網絡能夠在環境惡劣的條件下獲取更多目標對象的信息，然后進行處理和存儲，目前無線傳感器網絡應用于各種領域，例如：國防軍事、健康管理、氣候監測、道路交通、工業控制等等。

1 傳輸協議研究現狀

由于對傳輸的數據安全性的要求，無線傳感器網絡需要有端到端可靠數據傳輸功能。 傳統Internet主要使用 OSI 參考模型中的 UDP 和 TCP 協議來控制數據傳輸。其中UDP 是無連接的， 不提供可靠的數據傳輸協議；而TCP 則是面向連接的端到端的可靠數據傳輸協議， 利用滑動窗口機制進行數據擁塞控制。但是由于傳感器節點在計算能力、數據處理、信息存儲等方面的限制，傳統的 TCP 協議不能直接應用于現有的無線傳感器網絡。目前對于無線傳感器網絡的研究主要側重于兩個方面，一個是網絡擁塞控制，另一個是數據可靠傳輸。

2 擁塞控制協議

無線傳感器網絡擁塞主要分為兩種，其中一種是無線節點擁塞，這種擁塞是由于傳感器節點需要發送數據分組的大小超出該節點自身的能力范圍，緩存隊列發生溢出，導致數據分組丟失和網絡排隊延時增加。另一種是無線鏈路擁塞，由于無線信道是共享的，當多個傳感器節點共同競爭使用同一個信道時會產生訪問沖突，并引發無線鏈路擁塞，使鏈路利用率降低。無論是以上哪種擁塞，都會嚴重影響無線傳感器網絡傳輸性能以及網絡能量消耗，因此需要及時避免網絡擁塞，有利于鏈路利用率的提高。下面對幾個典型控制協議進行了研究，分析其優缺點以及需要改進的方向。

SenTCP[1]是擁塞控制協議其中的一種，采用開環、多跳的傳輸控制方式。該協議由三個方面組成：擁塞度的計算、發送反饋信號、對接收的反饋信號進行及時處理。通過平均傳輸時間和平均處理時間對每一個中間節點，進行擁塞度的估計。SenTCP采取逐跳的擁塞控制，這種方式得到的反饋消息可以減少擁塞的發生從而降低數據包丟包率，使傳感器網絡能量損耗降低并在一定程度上提高網絡吞吐量，但是沒有數據丟失后進行恢復的機制。

ESRT是一種基于速率調節的擁塞控制協議。該協議通過對無線傳感器網絡可靠性和網絡能耗的綜合考慮，對節點報告速率的適當調整，使網絡擁塞得到減少的同時提高數據傳輸可靠性和網絡能量的節約。該協議的缺點是需要網關對整個網絡進行覆蓋，對所有傳感器節點采用統一的調整，對突發情況不能很好的應對。

Buffer-based協議是一種基于緩沖隊列管理的輕量級控制機制。傳感器節點在發送數據包時把自身緩存區使用情況通過數據包包頭攜帶發送出去，所有的鄰居節點都能得到該節點的消息。當節點向下傳輸數據時，都需要對相鄰節點隊列緩存區進行檢查，看是否發生溢出情況，如果發生溢出，立刻停止數據包的發送，直到監聽到該節點緩存隊列為未滿狀態時，才進行數據包的發送。改協議很大程度上減小了網絡擁塞的發生，提高了鏈路利用率，但是當數據量激增時，會增加排隊時延。

3 可靠傳輸協議

可靠傳輸協議用來保證傳感器網絡節點感知的有效數據能夠有序、無丟失和無差錯的傳輸到匯聚節點，向用戶提供安全可靠的數據傳輸服務。接下來對以下幾個協議分別進行介紹。

PSFQ協議[2]一種點到點逐跳的差錯恢復機制，數據確認使用NACK。有三個步驟：傾注、提取、報告。該協議基本做法是在逐跳傳輸數據分組時，發送節點以較慢的速度發送數據分組，當接收節點發現數據分組丟失后，迅速報告給發送節點，并請求重傳數據分組。該協議要求節點在數據傳輸的時一直處于“蘇醒”狀態偵聽信道， 耗能較大；未考慮網絡擁塞情況，把數據分組丟失歸為無線信道錯誤引起的。

RMST是可靠傳輸協議一種，該協議以定向擴散路由協議為基礎。通過對傳感器節點進行配置，使其有兩種模式，一種是緩存模式，它對應于逐跳的數據傳輸，從信源到信宿節點的鏈路上的每個節點都要進行緩存維護，并且還需要參與數據分組的丟失檢測。另一種是非緩存模式，只有信源和信宿兩個節點需要進行維護緩存，其他節點都不需要，而對于數據分組丟失的檢測是由信宿節點進行。但是協議沒有擁塞控制機制，也沒有明確的確認機制，不能保證數據分組順序到達。

由于傳統的Internet的TCP協議采用滑動窗口確認模式，需要緩存已發送的數據分組，等收到接收方的確認消息時，窗口向前移動，發送節點要發送的數據分組不能超過窗口的大小，降低了網絡吞吐量。而RBC協議對此進行了改進，采用多個不同優先級隊列管理機制，對需要發送的數據分組和未得到確認的分組進行管理，使用無窗口確認模式和無序分組轉發，提高了網絡吞吐量。此外，RBC定義了動態的重傳定時器，減少了不必要的重傳，同時對共享信道進行了改進，區分信道爭用方的優先級，減少信道爭用沖突。但是該協議還是存在一些缺點，傳感器節點在進行數據傳輸監聽信道和對數據包進行處理時開銷較大，而且隊列結構復雜不好實現。

BRTM協議是針對傳感器網絡節點不同數據發送方對數據流安全性的不同要求，提出的雙向可靠傳輸協議。由于節點和互聯網之間進行數據通信，當節點給互聯網發送收集到的對象信息時，數據包的冗余度比較高，但是對于可靠性要求較低，網關只對其中數據變化較大的一些數據包使用ACK進行確認；而當網關給節點發送查詢的數據包時，對可靠性要求較高，所以網關通過在自己發送的數據包包頭加入特殊標識，使節點在接收到數據包時知道其傳輸界限，并使用NACK反饋確認消息。由于BRTM使用端到端的控制方式，嚴重影響了傳輸效率，因此在這方面需要改進。

4 結論

由于傳感器網絡資源非常有限，要適應各種復雜的環境條件，目前傳統的傳輸控制協議在傳感器網絡中并不適用。通過對現有一些改進協議的研究，雖然在一些方面對傳感器網絡的性能進行了提高，但是只是針對一些特定的條件，不能完全適用于其他環境。隨著無線傳感器網絡技術的不斷完善，各種新的傳輸控制協議不斷被提出，越來越能夠適應各種環境。但是在研究的過程中，要注意各種條件的綜合考慮，把好的協議進行一定融合，像擁塞控制、可靠傳輸、數據恢復，重傳機制等方面，得到最優方案。目前的研究成果甚少 ，大多不夠統一、系統和完整 ，實際中存在很大差距，大量問題尚待發現和解決。

參考文獻

[1] 邱赟.無線傳感器網絡傳輸控制協議研究[J] Signal Process&System; ，2007.

[2] 朱曉娟.無線傳感器網絡數據傳輸可靠性研究綜述[J] 計算機科學 ，2013.