無線傳感器網絡數據傳輸可靠性研究

謝慧玲

（湖北經濟學院 信息與通信工程學院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

無線傳感器網絡是信息技術高度發展的產物，包含傳感器技術和無線通信技術，在智能交通、智能工業控制和環境監測等諸多領域應用廣泛，更是構建物聯網的基礎技術。在無線傳感器網絡興起時，受限于電池容量和傳感器節點能耗，研究更傾向于能量使用效率。隨著電源技術的發展和節能硬件的開發，人們開始更多地關注數據傳輸的可靠性。信息可靠是信息分析與決策的基礎。無線傳感器網絡往往部署在難以控制的野外環境，資源受限，且不同應用領域網絡形態各異。條件的不穩定性使得提升無線傳感器網絡數據傳輸可靠性較為困難，但又亟待解決。

1 無線傳感器網絡數據傳輸可靠性研究意義

無線傳感器網絡典型結構如圖1所示，主要包括傳感節點、匯聚節點、傳輸網絡及用戶。作為實體節點的傳感節點和匯聚節點，是實現數據傳輸的關鍵部分。傳感節點負責感知信息，簡單處理后與其他節點進行信息交互；匯聚節點負責收集網絡內部信息并進行綜合分析計算；最后，通過外部網絡將有效信息傳輸至用戶。

無線傳感器網絡數據傳輸可靠性研究始于20世紀初[1]，定義至今未統一，可借鑒國標中可靠性的定義理解WSN數據傳輸可靠性，即WSN在既定條件與期限內，實現滿足用戶需求的數據傳輸的能力。研究WSN數據傳輸可靠性是實現WSN常規應用的基礎，同時是探索WSN深入應用的關鍵。具體而言，研究WSN數據傳輸可靠性具有重要意義：（1）應用新技術保障數據生存和有效傳輸，提升數據傳輸可靠性；（2）借鑒一般網絡數據傳輸可靠性研究方式方法，結合無線傳感器網絡自身特點，形成評價方法，以實現對WSN數據傳輸可靠性的客觀、科學評價；（3）將數據傳輸可靠性評價方法應用于WSN設計階段[2]，利用評估結論有針對性地合理優化網絡結構、節點部署以及能量消耗效率，進一步提升數據傳輸可靠性。

圖1 WSN典型結構

本文先介紹WSN數據傳輸技術可靠性評估方法，再總結歸納近年WSN可靠傳輸技術的前沿進展，并基于歸類及分析比較提出未來的研究方向。

2 無線傳感器網絡數據傳輸可靠性評估方法

無線傳感器網絡與傳統網絡有許多共同之處，且傳統網絡可靠性經過數十年的發展已建立完整、成熟的評價體系[3]，故WSN數據傳輸可靠性的評價更傾向于借鑒傳統網絡可靠性評價方法。這些方法多以概念論和圖論為理論基礎，為簡化模型和方便分析，需先假定條件。具體地，限定節點與鏈路等基本元素的含義、可能狀態及相互獨立性，從圖的連通性出發，以連通概率為研究對象，建立數據傳輸可靠性模型。

一般地，WSN的基本表達式為：

其中，V為WSN傳感器節點集合，E為WSN鏈路集合。

北京航空航天大學江逸楠等人在結合網絡覆蓋性定義WSN數據傳輸可靠性的基礎上，在二元決策圖的應用中引入CCF因素，構建了WSN可靠性模型。

北京航空航天大學周強等人借鑒分布式系統可靠性建模方法，針對WSN特點，在構建WSN網絡模型和任務模型的基礎上，從單一任務可靠度逐步推演出系統總體可靠度模型，如式（2）所示。同時，此種基于任務的可靠性模型更偏向于系統可靠性的局部指標。

其中，kS,D為源節點S到目的節點D的路徑個數；為第i條路徑的可靠性；M為系統總體任務個數。

近10年，可靠性模型又進一步考慮節點和鏈路的動態變化，Bruneo等人提出了針對節點可靠性的概念，并結合剩余能量，綜合建立了節點可靠性模型；東南大學姜禹等人基于效能分析提出了網絡可靠性評估模型，側重考慮系統效能的動態變化。

3 無線傳感器網絡可靠傳輸技術的研究進展

世界上無線傳感器網絡的標準較多，沒有實現統一，但各自都有對應的應用領域。其中，IEEE 802.15.4已被廣泛接受并認同為WSN的底層標準，ZigBee等其他諸多標準也選擇它作為共同基礎進行拓展。IEEE 802.15.4標準定義的網絡支持CSMA-CA技術，同時支持確認機制，能有效降低數據傳輸過程因環境影響造成的誤碼率，從而提高數據傳輸的穩定性。目前，許多針對WSN的可靠傳輸技術均來自IEEE 802.15.4標準修訂。表1從多個指標對主流可靠傳輸技術進行列表比較。

表1 主流可靠傳輸技術的指標對比

表1中，各指標的具體含義如下。

（1）數據傳遞方向。數據上行表征的傳感器節點將感知信息傳遞到匯聚節點，即信息采集過程中數據的傳遞方向；數據下行則是用于發送查詢和調整節點參數等信息。

（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，但形式簡單，易操作；冗余可以減小重傳壓力，同時增大網絡負載；混合是前兩者的疊加。此外，新興的可靠性保證手段還有網絡編碼等。

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

（4）恢復方式指的是恢復丟失數據包的方式。端對端發生在匯聚節點上，逐跳發生在每一跳中。

4 結 論

本文從WSN數據傳輸可靠性的研究意義出發，系統介紹了國內外WSN數據傳輸可靠性評估方法和各自的側重點，以可靠性保證手段等作為評價指標，對比近年主流可靠傳輸技術。數據傳輸可靠性評估方法雖

在傳統網絡傳輸可靠性評價的基礎上有所發展，但未能充分考慮能耗和網絡動態變化。因此，未來可靠性評估研究方向應集中在構建更貼合實際、引入更多約束條件的評估模型上，同時為應對未來復雜的可靠性模型，優化現有模型，著力開發針對各個領域的仿真工具服務于可靠性評估。WSN可靠傳輸技術雖然輻射范圍較廣，但每種技術間未能做到取長補短，靈活性較差，無法應對動態拓撲。未來，WSN可靠傳輸技術研究方向應綜合、優化前期的研究成果，深入研究動態拓撲，同時充分關注電池、無線充電等相關技術的發展，一旦新技術成熟，將迅速應用于WSN可靠傳輸技術，以期更好地提高數據的傳輸可靠性。