無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究

謝慧玲

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，包含傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，在智能交通、智能工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，更是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)興起時(shí)，受限于電池容量和傳感器節(jié)點(diǎn)能耗，研究更傾向于能量使用效率。隨著電源技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能硬件的開(kāi)發(fā)，人們開(kāi)始更多地關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。信息可靠是信息分析與決策的基礎(chǔ)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往部署在難以控制的野外環(huán)境，資源受限，且不同應(yīng)用領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)形態(tài)各異。條件的不穩(wěn)定性使得提升無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性較為困難，但又亟待解決。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究意義

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)及用戶。作為實(shí)體節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵部分。傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知信息，簡(jiǎn)單處理后與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息并進(jìn)行綜合分析計(jì)算；最后，通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)將有效信息傳輸至用戶。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究始于20世紀(jì)初[1]，定義至今未統(tǒng)一，可借鑒國(guó)標(biāo)中可靠性的定義理解WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性，即WSN在既定條件與期限內(nèi)，實(shí)現(xiàn)滿足用戶需求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。研究WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性是實(shí)現(xiàn)WSN常規(guī)應(yīng)用的基礎(chǔ)，同時(shí)是探索WSN深入應(yīng)用的關(guān)鍵。具體而言，研究WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性具有重要意義：（1）應(yīng)用新技術(shù)保障數(shù)據(jù)生存和有效傳輸，提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性；（2）借鑒一般網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究方式方法，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)，形成評(píng)價(jià)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性的客觀、科學(xué)評(píng)價(jià)；（3）將數(shù)據(jù)傳輸可靠性評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于WSN設(shè)計(jì)階段[2]，利用評(píng)估結(jié)論有針對(duì)性地合理優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)部署以及能量消耗效率，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

圖1 WSN典型結(jié)構(gòu)

本文先介紹WSN數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可靠性評(píng)估方法，再總結(jié)歸納近年WSN可靠傳輸技術(shù)的前沿進(jìn)展，并基于歸類及分析比較提出未來(lái)的研究方向。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性評(píng)估方法

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有許多共同之處，且傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已建立完整、成熟的評(píng)價(jià)體系[3]，故WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性的評(píng)價(jià)更傾向于借鑒傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)價(jià)方法。這些方法多以概念論和圖論為理論基礎(chǔ)，為簡(jiǎn)化模型和方便分析，需先假定條件。具體地，限定節(jié)點(diǎn)與鏈路等基本元素的含義、可能狀態(tài)及相互獨(dú)立性，從圖的連通性出發(fā)，以連通概率為研究對(duì)象，建立數(shù)據(jù)傳輸可靠性模型。

一般地，WSN的基本表達(dá)式為：

其中，V為WSN傳感器節(jié)點(diǎn)集合，E為WSN鏈路集合。

北京航空航天大學(xué)江逸楠等人在結(jié)合網(wǎng)絡(luò)覆蓋性定義WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，在二元決策圖的應(yīng)用中引入CCF因素，構(gòu)建了WSN可靠性模型。

北京航空航天大學(xué)周強(qiáng)等人借鑒分布式系統(tǒng)可靠性建模方法，針對(duì)WSN特點(diǎn)，在構(gòu)建WSN網(wǎng)絡(luò)模型和任務(wù)模型的基礎(chǔ)上，從單一任務(wù)可靠度逐步推演出系統(tǒng)總體可靠度模型，如式（2）所示。同時(shí)，此種基于任務(wù)的可靠性模型更偏向于系統(tǒng)可靠性的局部指標(biāo)。

其中，kS,D為源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的路徑個(gè)數(shù)；為第i條路徑的可靠性；M為系統(tǒng)總體任務(wù)個(gè)數(shù)。

近10年，可靠性模型又進(jìn)一步考慮節(jié)點(diǎn)和鏈路的動(dòng)態(tài)變化，Bruneo等人提出了針對(duì)節(jié)點(diǎn)可靠性的概念，并結(jié)合剩余能量，綜合建立了節(jié)點(diǎn)可靠性模型；東南大學(xué)姜禹等人基于效能分析提出了網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估模型，側(cè)重考慮系統(tǒng)效能的動(dòng)態(tài)變化。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展

世界上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)較多，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，但各自都有對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，IEEE 802.15.4已被廣泛接受并認(rèn)同為WSN的底層標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee等其他諸多標(biāo)準(zhǔn)也選擇它作為共同基礎(chǔ)進(jìn)行拓展。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)支持CSMA-CA技術(shù)，同時(shí)支持確認(rèn)機(jī)制，能有效降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程因環(huán)境影響造成的誤碼率，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。目前，許多針對(duì)WSN的可靠傳輸技術(shù)均來(lái)自IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)修訂。表1從多個(gè)指標(biāo)對(duì)主流可靠傳輸技術(shù)進(jìn)行列表比較。

表1 主流可靠傳輸技術(shù)的指標(biāo)對(duì)比

表1中，各指標(biāo)的具體含義如下。

（1）數(shù)據(jù)傳遞方向。數(shù)據(jù)上行表征的傳感器節(jié)點(diǎn)將感知信息傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，即信息采集過(guò)程中數(shù)據(jù)的傳遞方向；數(shù)據(jù)下行則是用于發(fā)送查詢和調(diào)整節(jié)點(diǎn)參數(shù)等信息。

（2）可靠性保證手段主要包含重傳、冗余及混合三種類型。其中，重傳能耗大，但形式簡(jiǎn)單，易操作；冗余可以減小重傳壓力，同時(shí)增大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；混合是前兩者的疊加。此外，新興的可靠性保證手段還有網(wǎng)絡(luò)編碼等。

（3）可靠性度量。事件可靠性僅要求匯聚節(jié)點(diǎn)掌握單一事件發(fā)生的充分信息；包可靠性則條件苛刻，要求匯聚節(jié)點(diǎn)掌握所有傳感器節(jié)點(diǎn)的感知信息。

（4）恢復(fù)方式指的是恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)包的方式。端對(duì)端發(fā)生在匯聚節(jié)點(diǎn)上，逐跳發(fā)生在每一跳中。

4 結(jié) 論

本文從WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性的研究意義出發(fā)，系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性評(píng)估方法和各自的側(cè)重點(diǎn)，以可靠性保證手段等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比近年主流可靠傳輸技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸可靠性評(píng)估方法雖

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上有所發(fā)展，但未能充分考慮能耗和網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化。因此，未來(lái)可靠性評(píng)估研究方向應(yīng)集中在構(gòu)建更貼合實(shí)際、引入更多約束條件的評(píng)估模型上，同時(shí)為應(yīng)對(duì)未來(lái)復(fù)雜的可靠性模型，優(yōu)化現(xiàn)有模型，著力開(kāi)發(fā)針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的仿真工具服務(wù)于可靠性評(píng)估。WSN可靠傳輸技術(shù)雖然輻射范圍較廣，但每種技術(shù)間未能做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，靈活性較差，無(wú)法應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)拓?fù)?。未?lái)，WSN可靠傳輸技術(shù)研究方向應(yīng)綜合、優(yōu)化前期的研究成果，深入研究動(dòng)態(tài)拓?fù)?，同時(shí)充分關(guān)注電池、無(wú)線充電等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，一旦新技術(shù)成熟，將迅速應(yīng)用于WSN可靠傳輸技術(shù)，以期更好地提高數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。