（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络的tcp性能改进.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在军事、环境、医学、空 间探索以及工业、民用等领域具有广泛的应用前景。因此，无线传感器网络技术被 称为2 1 世纪最重要的前沿技术之一，成为当前世界各国的研究热点。 本文首先对无线传感器网络的传输控制协议进行了介绍。由于无线传感器网络 不同于一般无线网络的特点，现有的传输控制协议都不再适用，因此在文中我们简 单的分析了传输控制协议在无线传感器网络中存在的一些问题，以及无线传感器网 络传输控制协议的设计目标。在这些设计目标中最主要包括数据可靠性和拥塞控制 两个方面。本文还简单介绍了现有的一些无线传感器网络的传输控制协议。 针对传统t c p 慢启动机制在无线传感器网络中存在的问题，本文提出了两种新 的慢启动机制：p s l o w s t a r t ( p a r a m e t e rs l o w - s t a r t ) 和p t c p ( p h a s e - d i v i d e dt c p ) 。 p s l o w - s t a r t 的提出是为了解决标准t c p 慢启动阶段后期拥塞窗口增长过快的 问题。在p s l o w - s t a r t 机制中，在慢启动阶段的前期拥塞窗口遵循指数增长的规律， 后期通过参数的方式来控制拥塞窗口的增长速率，而前期与后期的分界也通过另一 个参数来控制。由于在慢启动阶段的后期拥塞窗口以较小的幅度增长，变化比较平 滑，不会向网络中突发大量的数据包，从而保持了网络的稳定。通过仿真分析，与 传统的t c p 慢启动机制相比，p s l o w - s t a r t 减少了分组丢失和网络延迟，提高了网 络吞吐量。 p t c p 的提出是为了解决标准t c p 慢启动阶段前期拥塞窗口增长过慢而后期拥 塞窗口增长过快的问题。在p t c p 机制中，在慢启动阶段的前期增大拥塞窗口的增 长速率，而在后期减小拥塞窗口的增长速率。根据无线传感器网络资源有限的特点， 这种拥塞窗口增长方式能够在慢启动阶段前期加大数据包的传输，以充分利用网络 的资源：在慢启动阶段后期降低数据发送速率，尽量避免网络拥塞。通过仿真对比， p t c p 有效地避免了无线传感器网络中的拥塞控制问题，减少了分组丢失，提高了 网络性能。 关键词：无线传感器网络，t c p ，p s l o w s t a r t ，p t c p 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) i san o v e lt e c h n o l o g ya b o u t a c q u i r i n ga n d p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o na n dc a nb eu s e dt ot r a n s f e ri n f o r m a t i o n ；ot h et e r m i n a lu s e r s i t d e m o n s t r a t e sc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti n m a n yf i e l d s ，s u c h a sm i l i t a r y , e n v i r o n m e n t , m e d i c i n e ，s p a c ee x p l o r a t i o n , i n d u s t r y a n dc i v i l i a n t h e r e f o r e ，w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k st e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e si n2l t hc e n t u r ya n d g a i n sal o to fc o n c e r n sa l lo v e rt h ew o r l d t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s f o rt h ef a c tt h a tt r a n s p o r tp r o t o c o li nr e g u l a rw i r e l e s sn e t w o r k si sn o ts u i t a b l ef o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，an e wt r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o lw h i c hf i t st h ec h a r a c t e r so fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k si su r g e dt ob ed e s i g n e d t h i sp a p e ra n a l y s e ss o m ee x i s t i n gp r o b l e m sa n d t h e d e s i g n a i m so ft r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c o li nw s n s g e n e r a l l y , r e l i a b i l i t ya n d c o n g e s t i o nc o n t r o la r e t h em a i na s p e c t so fat r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 t h e n ，s o m e e x i s t i n gt r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l sf o rw s n s a r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a lt c ps l o w - s t a r ti nw s n s ，t h i sp a p e r p r o p o s e st w on e ws l o w - s t a r tm e c h a n i s m sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ：p - s l o w - s t a r t ( p a r a m e t e rs l o w - s t a r t ) a n dp t c p ( p h a s e - d i v i d e dt c p ) p - - s l o w - s t a r tw a sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fc w n dd r a s t i ci n c r e a s i n ga tt h e e n do fs t a n d a r dt c ps l o w - s t a r t i np s l o w - s t a r t ，a tt h eb e g i n n i n go fs t a n d a r dt c p s l o w - s t a r tw ei n c r e a s ew i n d o we x p o n e n t i a l l ya st r a d i t i o n a lt c eb u ta tt h ee n do ft c p s l o w - s t a r t , w ec o n t r o lt h eg r o w t hr a t ea c c o r d i n gt oap a r a m e t e r t h eo t h e rp a r a m e t e ri s u s e da st h en e ws e p a r a t o rt od i v i d et h ed i f f e r e n tg r o w t hr a t e t h ep s l o w - s t a r ti n c r e a s e s c w n dw i t has m a l la m p l i t u d ea tt h ee n do ft c ps l o w - s t a r ta n ds e n d i n gr a t ec h a n g e s s m o o t h l y s oi tw i l la v o i db u r s tt r a f f i ca n dm a i n t a i nn e t w o r ks t a b i l i t y c o m p a r e dt o t r a d i t i o n a lt c ps l o w - s t a r tw i t hs i m u l a t i o n , t h ep - s l o w - s t a r tr e d u c e sp a c k e tl o s sa n d n e t w o r kd e l a y , t h u si m p r o v e st h en e t w o r k t h r o u g h p u t p t c pw a sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fa w n di n c r e a s es l o w l ya tt h eb e g i n n i n g o fs t a n d a r dt c ps l o w - s t a ra n dt o of a s t a tt h ee n do ft c ps l o w - s t a r t i np t c p , a tt h e b e g i n n i n go fs t a n d a r dt c ps l o w s t a r tw ea u g m e n tt h eg r o w t hr a t eo ft c pc o n g e s t i o n w i n d o w , i nc o n t r a s t ，w er e d u c et h eg r o w t hr a t ea tt h ee n do ft c ps l o w - s t a r t f o rt h e l i m i t e dr e s o u r c eo fw s n s t h ep t c ps c h e m ec a i li n c r e a s et r a n s m i s s i o nd a t aa tt h e b e g i n n i n go fs t a n d a r dt c ps l o w - s t a r ti no r d e rt om a k eb e s tu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e sa n d r e d u c es e n d i n gr a t et oa v o i dn e t w o r kc o n g e s t i o na tt h ee n do fs t a n d a r dt c p s l o 、v s t a r t o u rs i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep t c pc a nd r a m a t i c a l l yp r e v e n tc o n g e s t i o n c o n t r o lp r o b l e ma n dr e d u c ep a c k e tl o s s , t h u si m p r o v en e t w o r k p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t c p ，p - s l o w - s t a r t ，p t c p 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度 集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无 线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实 时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送， 并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类 社会三元世界的连通。无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的 产物，是一种全新的信息获取和处理技术，被认为是2 1 世纪最重要的技术之一。 传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物 医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜 在的实用价值。由于m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术、嵌入式技术和 无线技术的成熟，人们可以大量的生产这种微小的廉价传感器节点，而这种彼此间 通过短距离无线通信技术连接起来的密集分布的智能传感器节点就形成了今天的无 线传感器网络。无线传感器网络作为一种新型的网络形态受到了学术界、工业界和 军队的广泛关注，成为当今工业界和学术界的研究热剧1 1 。 1 1 无线传感器网络的发展历程 2 0 世纪7 0 年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点 传输、连接传感控制器构成传感器网络，这是第一代传感器网络；随着相关学科的 不断发展和进步，传感器网络具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口 与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络，这是第二代传感器网络； 第三代传感器网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信 息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感 器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有 出现用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网 络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现在1 9 9 9 年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提 出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2 0 0 4 年( i e e es p e c t r u m ) 杂志发 表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极 大的影响和产生巨大的推动。 由于无线传感器网络具有巨大的应用价值，它己经引起了世界许多国家的军事 部门、工业界和学术界的极大关注。美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、 康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术 的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络高度重视，把传感器网络作为一 个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目【2 1 。美国英特尔公司、 微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。日本、德国、英国、 意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领 域的研究工作。近年来我国的一些高等院校与研究机构也积极的展开了对无线传感 器网络的相关研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研 究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。随 着无线传感器网络应用的日益发展与不断深入，支持无线传感器网络的无线通信网 络技术、超微型嵌入式实时操作系统等若干关键技术的研究将成为未来传感器网络 应用的趋势和热点【3 】【4 1 。无线传感器网络处于新技术的最前沿，目前尚存在着许多 值得探讨的热点课题，国内外学者正在进行深入研究，很多相关领域仍处于百家争 鸣的阶段。但是随着对这些问题的解决可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应 用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响，无线传感器网络技术也被 认为是2 l 世纪具有巨大影响力的技术之一。 1 2 无线传感器网络的节点结构和网络组成 操作系统 存储器 传感器 a i d a 网络 _ - -m a c 黼墀瑶隹苗寻 c p u 瓣r 巳止蛤幽二 j ，u隽足阳l 了叶聃干u 下 处理单元 t l 1 - l l 能量管理单元 图1 1 传感器节点结构 在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集单元( 传 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 感器和模数转换功能模块组成) 、处理单元( 嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、 嵌入式操作系统等) 、通信单元( 无线通信模块) 、以及能量管理单元组成。图1 1 描述了节点的组成，其中箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。 图1 2 传感器网络的组成结构 感器节点 在传感器网络中，节点通过飞机布撒、车辆布撒、人工埋置等方式大量部署在 指定的感知区域内。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、 采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采 集，处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回s i n k 节点，s i n k 节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点；最后借助长距离或临时 建立的s i n k 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。卫星链路 可用作s i n k 链路，或使用监测区上空的无入飞机回收s i n k 节点数据，这也是曾经采 用过的有效方法。传感器网络的组成结构包括分布式传感器节点( 群) 、s i n k 节点、 互联网( - 0 星通信) 和任务管理节点( 用户界面) 等【5 l ，如图1 2 所示。一般来说， 在传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而s i n k 节点的发射能力较 强，具有较高的电能，可以把数据发回远程控制节点。 1 3 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络以应用为目标，其构建是一个庞大的系统工程，涉及到的研究 工作和需要解决的问题是很多的，其中关键技术有以下几个方面： 1 ) 硬件平台和系统研究 低功耗、低价格、低尺寸的无线传感器节点硬件平台开发；高模块化、微内核、 高效节能的嵌入式操作系统和开发环境研究；大规模无线传感器网络的高保真度、 高可扩展性的分布式仿真平台的开发。 2 ) 信息处理和支撑技术研究 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 应用支撑技术包括：低开销、可扩展、高精度的时间同步机制；低开销、低成 本的定位机制：资源和能耗受限的传感器网络安全问题( 入侵检测、攻击避免、加密 认证) 。信息处理技术包括：查询优化和出来、信息融合和网内处理、数据压缩和分 布式存储、协同信号处理等技术的研究。 3 ) 通信协议 物理层：研究在实际环境频繁变化和节点密集时，低功耗通信的复杂行为特征， 积累经验数据。 m a c 层：信道分配和调度机制研究；节省能耗的节点休眠机制研究和多参数折 中的分布式m a c 协议研究。 路由层：高效、鲁棒的拓扑形成和控制协议研究；自适应网络覆盖算法研究； 低功耗、实时、自组织的信息传输路径的建立机制研究；面向数据的传感器网络通 信模式研究。 传输层：针对不同的应用环境，提供不同的传输可靠性保证；结合跨层的思想 设计有效的拥塞控制算法，避免、缓解、消除网络的拥塞。 4 ) 应用层的研究 分布式传感器网络中的对象探测、分类和跟踪研究；特别是多目标系统的跟踪 问题。 基于无线传感器网络的分布式协调控制应用研究；传感器网络中的追踪问题， 反馈控制调度在传感器网络中的应用。 基于应用的任务调度和动态资源分配问题研究；根据动态目标，进行任务分配 和行为序列生成。 5 ) 其它 拓扑控制技术【6 1 是无线传感器网络中最重要的技术之一。在由无线传感器网络 生成的网络拓扑中，可以直接通信的两个结点之间存在一条拓扑边。如果没有拓扑 控制，所有结点都会以最大无线传输功率工作。 能量【7 】在无线传感器网络软硬件设计中处于核心地位。无线传感器网络中的结 点般采用电池供电，可供使用的电量非常有限，而且对于有成千上万个结点的无 线传感器网络来说，更换电池是非常困难甚至是不可能的。但是，无线传感器网络 的生存时间却要求长达数月甚至数年。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能 地节约无线传感器网络的电池能量则成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问 题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 无线传感器网络的特点 在传感器网络的研究初期，人们度认为成熟的i n t e r n e t 技术加上a dh o c 路由 机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：无线传感器网络与 传统网络有着明显不同的技术要求，它是一种特殊的a dh o c 8 】吲网络，具有以下的 特点： 1 ) 电源容量有限： 网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了在 使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去 了作用( 死亡) 。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节 能为前提，必要的时候甚至牺牲其它参数性能以达到最大化网络生存时间【1 们。 2 ) 硬件资源有限： 节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力，程序空间和内存空间比普 通的计算机功能要弱很多【1 1 】，这一点决定了在操作系统设计中，协议层次不能太复 杂。 3 ) 无中心： 无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点都是平等的，是一个对等式 网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行， 具有很强的鲁棒性。 4 )自组织1 1 2 1 ： 网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布 式算法协调各自的行为，节点苏醒后就可以快速、自动的组成一个独立的网络。 5 ) 动态拓扑： 无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能因为能 量耗尽而退出网络；也可能根据需要加入网络。这些都会引起网络拓扑的变化，因 此网络应该具备动态拓扑组织功能【1 3 i 。 6 ) 多跳路由： 网络中节点通信距离有限，一般在几百米以内，节点通常只能与其临近直接通 信。如果需要与较远距离节点通信，则需要通过中间节点进行路由。在无线传感器 网络中，多跳路由是通过普通节点完成的，没有专门的路由设备。这样，每个节点 既是信息的发起者，又是信息的转发者。 7 ) 数据融合： 由于无线传感器网络的自动管理和高度协作性，数据处理由节点自身完成，这 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路 中传送。 8 ) 节点数量大，分布密集： 为了对某一个区域进行检测，往往有成千上万个传感器节点置于该区域。传感 器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和鲁棒性【1 4 1 。 9 ) 基于属性寻址，而非基于d ，相邻节点之间数据融合【1 5 1 均要考虑。 l o ) 以数据为中心，为非对称的多点对一点的数据流。 1 1 ) 传感器网络是随应用变化的，基于不同的应用，传感器网络拓扑可以不同，甚 至协议算法也可以不同。 1 5 无线传感器网络的应用 由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别， 主要包括以下几类。 1 ) 军事应用。 军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有的无需架设网络 设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字战场无线数据通信的首选技术，是军 队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。 2 ) 紧急和临时场合。 在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设 施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微 波接力站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要无线 传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。边远或 偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行 通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网络的快速 展开和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。 3 ) 大型设备的监控。 在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行监控，以掌握设备的 运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器网络就可以作为一个可 选的通信手段。 4 ) 空间探索。 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节 点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。n a s a 的四u j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s 就是为将来的火星探测进行技术准 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善【1 6 1 。 5 ) 卫生保健。 在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传 感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。此外，在药物管理 等诸多方面，它也有新颖而独特的应用，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方 便、快捷的技术实现手段。 1 6 论文结构 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了无线传感器网络的发展和研究现状，以及无线传感器网络的特点 和应用，分析了无线传感器网络发展所面临的关键技术。 第二章介绍了无线传感器网络的体系结构。 第三章对无线传感器网络的传输控制协议进行了分析。 第四章首先分析了传统t c p 慢启动机制在无线传感器网络中存在的缺陷，然后 提出了一种适合无线传感器网络的基于参数变化的t c p 慢启动机制p s l o w - s t a r t ( p a r a m e t e rs l o w - s t a r t ) ，并对其进行了仿真，验证了该机制良好的性能。 第五章首先分析了f e w t c p 机制和传统t c p 慢启动机制在无线传感器网络中 存在的问题，然后根据无线传感器网络的特点，提出了一种新的分阶段慢启动机制 p t c p ( p h a s e - d i v i d e dt c p ) ，通过仿真对比，验证了该机制相对f e w t c p 机制和传 统t c p 机制的性能改进。 第六章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络体系结构 第二章无线传感器网络体系结构 传统网络为适应各种应用程序一般遵循“端到端”的边缘论思想1 1 7 1 ，将相关数 据处理都放在对端系统，中间节点只负责以“传输为中心 的数据转发。而“以数 据为中心 【1 3 1 的传感器网络从本质上并不是传统网络在传感领域的延伸，为此需要 为传感器网络定义一种专用的体系结构。 本章介绍了传感器一种合并参考模型的层次、约简部分协议，它增加了信融层， 成为专用于传感器网络的五层体系结构。 2 1无线传感器网络的分层结构 图2 1 无线传感器网络分层结构 由于传感器网络和传统网络相比具有上述的多种特殊的需求，因此对传感器网 络协议层次的划分以及各层协议成为当前研究的重点。在结合o s i 层次体系结构和 t c p i p 协议簇的基础上，研究人员提出了一种具有信息融合功能的层次式体系结构 1 1 9 1 ，如图2 1 所示。该体系结构分为五层：传感应用层、信融层、网络层、数据链 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络体系结构 路层、物理层。该体系结构中同时包含了能源管理系统、任务管理系统和节点管理 系统等子系统。 能源管理对于无线传感器网络来说非常重要，由于节点的耗电量不能太大，所 以和传统的无线通信网络相比，能量在无线传感器网络中是最重要的资源之一。能 源管理主要用于管理节点如何使用自身能源，牵涉到分布式无线网络的功率控制问 题，包括传感器节点在接收报文后立刻关闭自己的接收装置，同时发送报文后同样 关闭发送装置，减小不必要的功率发射等。功率控制通常与路由层技术联合进行优 化设计。 任务管理平台用于调度特殊区域分配的任务，同一时间内并非某区域所有节点 都执行相同的感知任务，某些能量高的节点要承担更多的任务，因此节点是否执行 任务就取决于节点能源级别和任务管理平台对当前状态的判决。 节点管理平台用来执行节点发现、探测邻居节点的变迁、移动等，同时维护着 到s i n k 节点的路由，并且保证节点获得邻居状态信息，以平衡自己的能源耗用和任 务管理。 该网络协议参考模型和o s i 模型相比，网络协议有所简化。物理层和数据链路 层分别与o s i 模型的相应层对应；网络层等价于传统网络的网络层和传输层；在网 络层之上增加了信融层，遵循将感知信息“先融合后传输”的原则，以减少网络中 传输的数据比特，实现有限计算能力和能源情况下最大限度的传感任务。模型的最 上层为传感应用层，对应于o s i 模型中的应用层，主要用于实现通过传感器感知信 息并进行预处理。与t c p f l p 协议簇相比，网络层等价于网络层与传输层，并增加 了专用的信融层和物理层。 2 。1 1 应用层 传统网络的应用层为用户接入网络提供了接口，同时也提供对多种服务的支 持。由于传感器网络目的是感知功能，所以应用层是为传感应用专设的层次，在该 层中主要处理一些传感器的应用基础和典型应用问题( 如采集感知对象的特征信息 等) 。传感器应用层主要用于将传感设备感知的各种信息进行特征提取和数据编码， 转换为网络可用的比特字节流。 应用层主要处理的典型任务包括：传感器的状态管理、传感器的任务管理、传 感器感知信息的采样处理和发送任务( 并传递给下层的网络层) 。同时传感应用层还 包括各种任务管理子系统、能源管理子系统和节点发现子系统等功能。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络体系结构 2 1 2 信融层 由于传感器网络的能源和计算能力有限，为此为节省传输能力、计算能力，最 大限度获取感知对象的状态信息，在分层协议中增加了信融层。信融层主要用于将 网络内汇集的多传感器数据进行信息融合( 关联、组合、分类、统计等) ，以融合成 比特流更小、更确定的出口报文转发给下一跳，最终实现对感知对象的识别和估计 等功能。转发节点的信息融合层将下层( 网络层艘收到的多组感知信息进行融合， 并将融合结果交于下层进行转发，对于只承担感知任务的节点则融合感知数据和自 身的历史数据。 信息融合作为对人类信息处理功能的模拟与扩充，是基于多个传感器的观测信 息，通过对信息的优化组合得到处理过的有效信息，最终目的是利用多个传感器共 同联合操作的优势，来提高整个系统的有效性。信息融合作为一种数据综合和处理 技术，实际上是许多传统学科和新技术的集成和应用。从广义的信息融合概念出发， 融合的主要方法包括模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最 优化技术、人工智能和神经网络等，对于信息融合方法而言，其所采用的信息表示 和处理方法一般都来自这些领域。 2 1 3 网络层 由于传感器网络中的数据流主要为感知对象的状态信息，同时状态信息所占比 特比较小，所以信息一般不需要划分为若干个报文段进行传输，因此在考虑功能约 减节省资源的情况下将传输层与网络层约减为网络层，即传感器网络的网络层要考 虑实现传统网络中传输层和网络层两层的功能。 无线传感器网络属于多跳通信网络，所以每个传感器节点都可以充当路由器， 中继转发其它节点的数据报文。网络层协议是通信网络协议的核心，它的主要目标 是建立并维护多跳通信中使用的路由表，并根据本地地址信息和路由信息决定是否 转发收到的数据报，同时向上层( 传感与执行器平台中实现的应用层) 提供一个简单 易用的软件接1 ：3 。实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信，同时支持多 传感器协作完成大型感知任务。根据路由转发的原理不同，传感器网络的路由协议 一般分为平面路由和层次路由两种。 传感器网络复杂的无线传输环境很容易造成采集数据的丢失，再加上传感器网 络特殊的通信模式，突发性的数据流等很容易造成网络拥塞，所以传感器网络层协 议还必须能够提供数据的传输可靠性保证以及拥塞控制功能。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络体系结构 2 1 4 数据链路层 由于网络无线信道的特性，环境噪声、节点移动和多点冲突等现象在所难免， 而能量问题又是传感器网络的核心问题。因此，该层除了要完成传统网络数据链路 层数据成帧、差错控制和接入控制等功能外，最主要的是设计一个适合于传感器网 络的介质访问控制方法( m a c ) ，以减少传感器网络的能量损耗，或者说减少无效能 耗损失，传感器节点的无效能耗主要有以下四个来源。 空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频收发模块必须 一直处于工作状态，消耗大量能源，是无效能耗的主要来源。 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确 接收，重发造成能量浪费。 串扰：接收和处理发往其他节点的数据。 控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效功耗。 无线传感器网络一般采用基于竞争的信道接入机制，但由于传感器网络不同于 传统无线网络的众多特性，使得8 0 2 1 1 无线局域网标准不完全适用于无线传感器 网络。针对这种情况，s _ m a c l 2 0 i 、t m a c t 2 1 1 和d _ m a c t 2 2 1 将时间分成多个确定长 度帧的策略，为每个帧分别指定不同的功能，将帧内分为工作阶段、休眠阶段和唤 醒阶段等几个不同步骤，有效的减少了空闲侦听的无效能耗。w i s e m a c l 2 3 11 2 4 1 和 b m a c t 2 纠采用信道评估和退避算法等方法减少信道侦听、冲突和串扰，但增加了控 制开销。b m a 2 6 1 采用数据融合技术将传感器节点管理分为簇建立阶段和稳定状态阶 段，减少了控制性信息。可见，介质访问控制方法是否合理与高效，直接决定了传 感器节点间协调的有效性和对网络拓扑结构的适应性，合理与高效的介质访问控制 方法能够有效的减少传感器节点收发控制性数据的比率，进而减少能量损耗。 2 1 5 物理层 物理层是模型中各平面的底层，协调在物理媒体中传输比特流所需的各种功 能，涉及到接口和传输媒体的机械电气的规约，定义物理设备和接口，为所发生的 传输完成的过程和功能。其主要任务有：频率选择、生成载波、信号探测、对数据 加密和调制解调等。 物理层协议的设计目标是在硬件提供的调制解调和工作状态切换等功能的基 础上，向数据链路层协议提供以下功能：发送端将数据变换为适合无线信道传输的 信道编码以及接收端相反过程的信道解码、原始数据帧的传输差错校验，用于实现 链路层中媒体访问控制协议的信道状态检测，以及通信启始信号检测等功能和用于 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络体系结构 减少系统功耗的射频硬件工作状态切换的软件接口。常用的物理层介质一般为微波 ( 电磁波) 、红外线、跳频扩谱方式、直扩方式( 8 0 2 1 1 ) 等。业界广泛建议传感器网络 采用9 1 5 m h zi s m 频段。 2 2本章小结 本章主要介绍传感器网络的节点组成、网络组成和分层体系结构。传统网络体 系结构是为各种应用程序提供网络传输上的支持，是以实现“以传输为目的 的系 统，节点只具有传输功能，不对数据进行处理。而传感器网络是“以数据为中心 ， 其目的是为了获取更长期、更确定的被感知对象的特征信息，所以从体系结构上并 不能看做是传统网络在传感领域的应用而应该是一种新型体系结构。 传感器网络分层体系结构是在参考o s i 模型和t c p 1 9 协议簇结构的基础上建 立的体系结构，该体系结构分为五层：物理层、数据链路层、网络层、信融层、应用 一层。该体系结构设计时遵循节约能耗的原则，传感器网络的能源有限，体系结构的 设计必须以节约能耗为前提，尽可能约简传统网络中的非主要功能，按照此原则将 参考模型中的网络层和传输层合并为网络层，同时采用了信息融合技术以节省计算、 传输资源，并获得更详细确知感知特征信息。另外，清晰的传感器网络体系结构模 型也将为以后研究和设计传感器网络的各层通信协议提供很好的依据和帮助。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章无线传感器网络传输控制协议 第三章无线传感器网络传输控制协议 一直以来，人们对无线传感器网络通信协议的研究都集中在路由协议和信道接 入协议上，而随着对无线传感器网络研究的深入，一些研究人员开始关注于对传输 控制协议的研究，它对无线环境下保证数据的可靠性传输、解决网络的拥塞以及能 源节约等都有着非常重要的作用。 3 1t c p 的拥塞控制机制 网络应用( 如f 1 p 、w w w 和t e l n e t 等) 常常要求可靠的数据传输和拥塞控 制，因此必须采用可靠的传输协议，如t c p 。t c p 协议位于开放系统互连( o s i ) 模型的第4 层，在不可靠的m 层基础上为应用层提供了一个可靠的、按序传输、 端到端的数据包传输服务。作为一种基于滑动窗口的传输协议，t c p 在提供尽力而 为服务的共享网络中实施拥塞控制，以确保整个网络的稳定性。t c p 的拥塞控制常 常采用四种算法：慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。慢启动用于探测网络 的可用带宽，拥塞窗口以指数方式增长；拥塞避免试图避免拥塞的发生并且尽可能 地探测可用带宽，使用加性增加、乘性减小( a i m d ) 的方式来改变拥塞窗口的大 小。快速重传和快速恢复通过接收重复确认( d u p l i c a t ea c k ) 来探测和恢复丢包1 2 7 1 。 3 1 1 慢启动算法 慢启动的基本思想是t c p 发送端向网络中注入新分组的速率应该与接收端返 回a c k 的速率相同。为此，慢启动为发送端的t c p 提供了两个窗口：接收端通告 的窗口( a d v e r t i s e dw i n d o w ) 和拥塞窗口c w n d ( c o n g e s t i o nw i n d o w ) 。通常，通告 窗口又称为t c p 连接的最大窗口。当与另一个网络上的主机建立t c p 连接时，拥 塞窗口被初始化为1 个报文段( 即另一端通告的报文段大小) 。每收到一个a c k ， 拥塞窗口就增加一个报文段( c w n d 以字节为单位，但是慢启动以报文段大小为单位 进行增加) 。发送端取拥塞窗口和通告窗口中的最小值作为发送上限。拥塞窗口是 发送端使用的流量控制，而通告窗口则是接收端使用的流量控制。前者基于发送端 感受到的网络拥塞状况的估计，后者则与接收端在该连接上的可用缓存大小有关。 发送端开始时发送一个报文段，然后等待a c k 。当收到该a c k 时，拥塞窗口从l 增加到2 ，即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的a c k 时，拥塞窗i ；3 就增 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线传感器网络传输控制协议 加为4 。这是一种指数级增加的关系。 3 1 2 拥塞避免算法 当数据从一个大的管道( 如一个快速局域网) 向一个较小的管道( 如一个较慢 的广域网) 发送时便会发生拥塞。当多个输入流到达一个路由器，丽路由器的输出 流小于这些输入的总和时也会发生拥塞。拥塞的出现将导致t c p 连接的中间路由器 丢失分组。拥塞避免就是一种处理分组丢失的方法，它的基本假设是：信道的比特 差错率很低，t c p 数据报分组受到损坏引起的丢失非常少( 远小于1 ) ，因此分 组丢失就意味着发送端和接收端之间的某处网络上发生了拥塞。作为一种端到端的 协议，t c p 不能使发送端直接知道中间路由器是否发生了拥塞。这样，发送端只能 通过两种间接的方法( 即出现超时和接收到重复的a c k ) 来判断网络中是否出现拥 塞。如果使用超时作为拥塞指示方法，则需要使用个好的计算t c p 分组的往返时 间( r o u n d t r i p t i m e ，r 1 7 ) 的算法。拥塞避免算法和慢启动算法是两个目的不同 的独立的算法。但是当拥塞发生时，我们希望降低分组进入网络的速率，这又要涉 及到慢启动算法。因此，在实际中这两个算法通常是一起实现的。拥塞避免算法和 慢启动算法需要对每个连接维持两个变量：一个拥塞窗口c w n d 和一个慢启动门限 s s t h r e s h 。这样得到的算法的工作过程如下： 1 对一个给定的连接，初始化c w n d 为1 个报文段，s s t h r e s h 为6 5 5 3 5 个字节。 2 t c p 输出例程的输出不能超过c w n d 和接收端通告窗口的大小。 3 当拥塞发生时( 超时或收到重复确认) ，s s t h r e s h 被设置为当前窗口大小的 一半( c w n d 和接收端通告窗口大小的最小值，但最少为2 个报文段) 。此外，如果 是超时引起了拥塞，则c w n d 被设置为1 个报文段( 这就是慢启动) 。 4 当新的数据被对方确认时，就增加c w n d ，但增加的方法依赖于是否正在进 行慢启动或拥塞避免。如果c w n d d , 于或等于s s t h r e s h ，则正在进行慢启动，否则正 在进行拥塞避免。慢启动一直持续到c w n d 回到当拥塞发生时所处位置的一半时候 才停止( 在步骤3 中记录了造成拥塞的窗口大小的一半) ，然后转为执行