（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络拥塞控制协议研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 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、民用和家庭网络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 l 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。 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 我们简单的分析了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，本文着重关注了拥塞 控制策略对传感器网络性能的重要影响。 文章的贡献在于：在分析了现有的无线传感器网络拥塞控制协议的基 础上，采用不同于现有的一般拥塞处理方法。提出了一种跨层自适应拥塞 控制协议c a c c ( c r o s s l a y e ra d a p t i v ec o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) ，为无线传感器 网络拥塞控制的跨层实现做出了探测性的研究。这种拥塞控制策略与 m a c ( m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 层的信道接入机制相结合，在适当的时机检测 本地的拥塞状况，然后进行本地和上游源节点的信道接入优先级的调整， 自适应地调整信道资源在传感器节点间的合理分配，使整个传感器网络根 据局部的拥塞状态处于一种动态的自适应调整中，有效的解决了传感器网 络中的拥塞控制问题。通过仿真分析，验证了提出的拥塞控制协议能够达 到拥塞控制的目的，并通过与传统的t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 传输 控制协议进行比较，进一步说明了c a c c 具有良好的性能。 关键词：无线传感器网络，m a c ，自适应，拥塞控制，c a c c 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 ta c q u i r i n g a n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o na n dc a nb e u s e dt ot r a n s f e ri n f o r m a t i o nt ot h e t e r m i n a lu s e r s i td 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 nm a n y f i e l d s ，s u c ha sm i l i t a r y , 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 , c i v i l i a na n d h o m en e t w o r k s t h e r e f o r e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki so n eo ft h em o s t a d v a n c e dt e c h n o l o g yi n2 1 t hc e n t u r ya n dg a i n sal o to fc o n c e r n sa l lo v e rt h e w e r i d f i r s t l y , t h et r a n s p o r tp 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 ki si n t r o d u c e d 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 ki sn o ts u i t a b l e f o rs e n s o rn e t w o r k ，an e wt r a n s p o r tp r o t o c o ls h e d d i n gl i g h to nt h ec h a r a c t e r s o fw i r e l e s s8 c n s o rn e t w o r ki su r g e dt ob ed e s i g n e d 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 et h em a i na s p e c t so fat r a n s p o r tp r o t o c 0 1 t h i sp a p e r s p e c i f i c a l l ys t u d i e st h ec o n g e s t i o nc o n t r o lp o l i c e s o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ns o m ec o n g e s t i o nc o n t r o lp o l i c e sf o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，an e wp o l i c yc a l l e dc a c c ( c r o s s - l a y e ra d a p t i v ec o n g e s t i o n c o n t r 0 1 ) i sp r e s e n t e d i te f f i c i e n t l yr e s o l v e sc o n g e s t i o nb ya d j u s t i n ga c c e s s p r i o r i t i e so ft h ec h a n n e li nm a cl a y e rt ob a l a n c et h eu s eo fc h a n n e lr e s o u r c e a c c o r d i n gt h el o c a lc o n g e s t i o nc o n d i t i o n s n u m e r i c a lr e s u l t sf r o me x t e n s i v e s i m u l a t i o n ss h o wt h a tc a c ci sm o r ee f f i c i e n ti na v o i d i n gc o n g e s t i o n si n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o m p a r e dw i t ht c p 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 m a c ，a d a p t i v e ，c o n g e s t i o nc o n t r o l c a c c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 邮电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：京寇缸 签字日期： 妒7 年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽邮虫盔堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽邮虫太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：飞魄红 引蝴 签字日期：w 口7 年，月日 签字日期：2 l 叩年6 月7 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 随着传感器技术，嵌入式芯片技术，分布式信息处理技术和无线网络 技术的发展，无线传感嚣网络作为一种无处不在的计算平台出现了，它的 出现标志着人类已经由p c 时代和网络时代进入后p c 时代。无线传感器 网络由大量部署在作用区域内的微小传感器节点组成，以a dh o c 方式形 成一个多跳无线网络系统；它的目的是相互协作地实时监测、感知和采集 网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理， 获得详尽而准确的信息。传送到需要这些信息的用户。 这种智能的微小传感器节点广泛应用在军事和民用的各个领域，由于 m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i e 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，而这种彼此问通 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点 f i j 。 1 1 无线传感器网络的发展历程 早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接 传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。 随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息 信号的综合处理能力，并通过与传癌控制器的相联，组成了有信息综合和 处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现 场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大 量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，对它的研究起始于2 0 世纪9 0 年代末期，由于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。从2 0 0 0 年起，国际上开始 出现一些有关传感器网络研究的报道，在美国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。美国自然科学 基金委员会于2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 研究。在美国自然科学基金委员会的推动下，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1 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，主要有清华大学、中科院软件所、浙江大学、哈尔 滨工业大学、中科院自动化所、中国人民大学、东北大学等。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i 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 1 世纪具有巨大影响力的 技术之一。 1 2 无线传感器网络的特点 在传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的i n t e r n e t 技术加上a d h o e 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 5 1 ：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 6j 【1 网络，具有以下的特点： 1 ) 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l s 】，这一点决定了 在操作系统设计中，协议层次不能太复杂。 2 ) 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 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 牺牲其它参数性能以达到最大化网络生存时间l ，】。 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 0 】。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 ) 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。 6 ) 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l l ”。 7 ) 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 问高度连接性来保证系统的容错性和鲁棒性【l2 1 。 8 ) 基于属性寻址，而非基于i d ，相邻节点之间数据融合u3 均要考虑。 9 ) 以数据为中心，为非对称的多点对一点的数据流。 1 0 ) 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 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 ) 通信协议 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 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。 3 ) 信息处理和支撑技术研究 信息处理技术包括：查询优化和处理、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。 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) 。 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【1 4 】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【”l 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 络中的结点一般采用电池供电，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 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 1 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 、居家。居家自动化，如微波炉、冰箱、吸尘器、所有家电协同工 作并可远程控制；智能居住环境( 可自适应用户的个人喜好) ，如光线强度、 音乐、房间气氛等。 5 ) 卫生保健。可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点， 这些信息汇总后，传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。 1 5 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，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。 第四章结合跨层的思想提出了一种适合无线传感器网络的拥塞控制 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 协议。 第五章通过计算机仿真，验证了协议良好的性能。 第六章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 6 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 6 】， 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 1 7 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。 本章首先介绍了传感器网络节点结构和典型的网络组成结构，在参考 o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) 模型和t c p i p 协议簇分层结构的基础 上，介绍了一种合并参考模型的层次、约简部分协议，它增加了信融层， 成为专用于传籀器网络的五层体系结构。 2 1 无线传感器网络的节点结构和网络组成 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2 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。 操作系统 t 存储器 司佩 匝旧 数据采集单元i 一l c p u i 覃数据传输单元 ll f 处理单元 f i ii l能量管理单元 图2 1 传感器节点结构 在传感器网络中，节点通过飞机布撒、车辆布撤、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 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 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人飞机回收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( 卫星通信) 和任务管理节点( 用户界面) 等【l ”。如图2 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 】【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 图2 2 传感器网络的组成结构 2 2 无线传感器网络的分层结构 感器节点 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【l9 1 。该体系结构分为五层：物理层、数据链 路层、网络层、信融层、传感应用层。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( 见图2 3 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传感器网络体系结构 图2 3 无线传感器网络分层结构 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 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 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 i 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 2 1 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 2 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 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 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 2 们、t - m a c 2 1 】和d m a c 2 2 】 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 2 3 】1 2 4 和b m a c 2 5 1 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 】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 2 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口。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，这也是本文要论述的重点 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 2 4 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) 接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、人工智能和棒 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 2 5 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。 2 3 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 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传感器网络体系结构 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 i p 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。 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 1 有线网络传输控制协议不适合无线传感器网络 传统的有线网络遵循。端到端”的设计思想，它以数据传输为目的， 中间节点只完成路由和数据转发功能，数据处理部分基本上都放在网络的 端系统中实现。因此，在有线网中面向连接的数据业务传输采用端到端的 t c p 协议来实现网络的拥塞控制和可靠性保证。t c p 采用四种主要的拥塞 控制技术，分别为：慢启动、拥塞避免、快速重传及快速恢复。而它的可 靠性保证机制则是通过分配连续的包序列号来实现的，发送端发送数据时 先给该数据段分配一个连续的序列号，接收端可以通过检测该序列号来判 断是否存在丢包，如果接收端没有收到按顺序到达的数据段或者收到了不 在接收窗口的数据段( 根据不同的接收策略) 则意味着在数据传输的过程 中出现了数据段的丢失。检测到丢包后，可以采用基于端到端a c n a c k 、 选择性a c k 等方法来恢复丢包。 传感器网络以数据处理为中心，中问节点上与应用有关的数据处理、 融合和缓存对整个网络正常有效的运行都具有非常重要的影响。传统端到 端的t c p 协议并不适合传感器网络，主要原因有以下几个方面1 2 7 】： 1 1t c p 必须通过三次握手来建立连接，只有连接建立起来后才能进行 数据传输在传感器网络中，传感器节点感应到的信息量非常少，一般只 有几个字节，如果每次传输前都要建立连接，网络的开销太大。另外，由 于无线信道易于丢失数据，所以建立t c p 连接也不是一件容易的事情，建 立连接的时间必定远远大于有线网络，这样等连接建立起来以后，传感器 节点要发送的信息可能早已经过时。此外，就是传感器网络拓扑结构是动 态变化的，不断地建立t c p 连接将会耗费大量的网络开销和传感器节点能 量的浪费。 2 ) t c p 协议端到端的传输方式和拥塞控制机制对无线传感器网络中 1 4 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 的局部节点拥塞反应比较迟钝，端节点产生的a c k 等控制分组不但会加 剧网络的拥塞而且很容易在多跳的无线网络传输中丢掉。 3 ) t c p 协议拥塞控制机制是基于有线网络的低误码率的，但高误码率 是无线传输网络的一个主要特征，如果在无线网络中传输t c p 数据，吞吐 量会非常的低。 4 ) t c p 协议没有考虑节点能量消耗问题。 5 ) 在传感器网络中，各个传感器节点距离s i n k 有不同的跳数和r t t ， t c p 用在这种环境下就会导致一些不公平因素，比如在传感器网络中，靠 近s i n k 的节点数据传输的信息量非常大，能量消耗也非常快，整个传感器 网络就很可能瘫痪。 u d p 协议也不适应传感器网络，主要原因有： 1 ) 在u d p 中没有流量控制和拥塞控制机制。如果将u d p 用在传感器 网络中，当拥塞发生时将会造成大量的数据包丢失。就这一点u d p 对于 传感器网络来说就是不可能的。 2 ) u d p 不包含a c k ，没有保证数据可靠性的机制，数据包的丢失仅仅 通过低层的算法来恢复。 除了以上列出的问题外，还有一个重要的方面就是现有的有线网中传 输控制协议和底层协议比如网络层协议或者链路层协议没有交互，但在无 线传感器网络中，底层协议可以提供很多重要的信息给传输层以提高传输 控制协议的性能，也就是说跨层优化的思想在传感器网络协议开发中非常 重要。 3 2 无线传感器网络传输控制协议设计 3 2 1 无线传感器网络传输控制协议设计目标 前面分析了传统有线网络的传输控制协议不适用于无线传感器网络， 因此我们需要通过对已有的传输控制协议的借鉴和改进来重新设计适合 无线传感器网络的传输控制协议。总的来说，传摩器网络的传输控制协议 必须具有考虑下列问题： 1 1 必须能够提供拥塞控制功能。在传感器网络中大部分的数据都是由 传感器节点向s i n k 节点方向传输，在靠近s i n k 节点的地方很容易发生网 络的拥塞，因此必须为传感器网络设计出高效的拥塞检测、拥塞避免和拥 1 5 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 塞控制机制。 2 1 必须具有差错控制功能。虽然信道接入协议提供了基于比特的差错 控制，但是它不能解决缓存溢出所造成的丢包，所以传感器网络的传输控 制协议还必须能够提供基于类似有线网络中a c l a c k 、选择性a c k 的 方法来确保数据包的可靠性传输。当然，传感器网络中的可靠性传输和有 线网络中的可靠性传输的概念还是有些区别，这是因为在传感器网络中对 于有些应用来说，有时候仅仅需要提供某一特定区域数据的可靠性保证即 可；因为传感器网络中节点采集数据的冗余性，有时候仅仅提供一定程度 的可靠性保证也能起到相对于应用级别的可靠性功能。现在对于传感器网 络传输控制协议的研究一般都采用逐跳的传输方式，因为这种传输方式可 以降低节点对缓存的需求，对网络拥塞得反应和处理都很迅速。 3 ) 尽量简化建立连接的过程或者采用无连接的协议来快速的启动传输 过程，确保网络的吞吐量，降低数据传输时延。因为在传感器网络中，对 于大部分的应用来说需要传输的数据量都比较小，有时候甚至只有几个字 节，简化连接过程将会使数据传输更加高效。 4 ) 应该尽可能的减少数据包的丢失，因为数据包的丢失就意味着数据 重传，数据重传就意味着能量的浪费，所以要采用积极的拥塞控制机制， 为了避免数据包的丢失有时候可以考虑减小数据的发送速率。例如，可以 通过减小上游节点数据包的发送速率来缓解下游节点缓存的压力，避免数 据包的丢失。 5 1 应该尽量的保证传感器节点获取资源的公平性，否则有些节点就是 获得了感知数据也会因为得不到资源而无法向s i n k 节点报告。 6 、应该尽量采用跨层优化的思想，路由和m a c 同样可以为传输控制 协议提供很多信息。例如数据包的丢失可能是因为路由断开引起的而不启 动拥塞控制机制。 7 ) 传输控制协议的设计中考虑能量节约思想。 总的来说，研究传感器网络传输控制协议最基本的就是要考虑在节约 能量的同时，怎样有效的去实现拥塞控制和保证数据传输的可靠性。 3 2 2 无线传感器网络传输控制协议性能参数 在设计传感器网络传输控制协议的时候我们可以通过一些参数来衡 量协议性能的好坏，比如能量效率、可靠性、q o s 、公平性 2 8 l 等等，下面 我们具体的讨论下这些性能参数。 1 6 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 1 ) 能量效率 传感器节点的能量非常有限，因此传输控制协议如果能够具有较高的 能量效率，则对延长整个网络的寿命是非常重要的。在无线传感器网络中， 数据包的丢失一般都是因为误码或者拥塞引起的，对一些丢包敏感的应用 来说，丢包就会导致重传，引起能量的不必要浪费，所以在设计传输控制 协议的时候有很多因素要考虑，比如数据包的重传次数、重传距离、控制 信息的开销等。 2 ) 可靠性 在传感器网络中，可靠性保证主要分为两类。一类是基于包的可靠性， 对于丢包敏感的应用来说，所有的包都需要被成功的传输。另一类就是基 于应用的可靠性，在这种情况下，只需要保证能检测到事件的发生即可， 并不需要保证所有的数据包都被成功的传输。此外。在一些传感器网络中 有时候将整个传感器网络划分为不同的区域，不同的区域根据采集数据的 重要性也可以提供不同的可靠性保证等级。 3 ) q o s q o s 包括带宽、延迟、反应时间和丢包率等性能参数，基于不同的应 用，传感器网络需要考虑不同的q o s 需求。 4 ) 公平性 传感器节点一般被置于广阔的地理区域中，由于多对一的通信模式， 使那些远离s i n k 节点的传感器节点很难传输数据，因此传感器网络的传输 控制协议需要为所有的传感器节点公平地分配带宽，使s i n k 节点可以收到 来自所有传感器节点基本上相同的数据量。 3 2 3 现有的无线传感器传输控制协议及分类 随着对无线传感器网络研究的深入，研究人员针对传感器网络的特点 提出了几种典型的传输控制协议，比如s t c p 2 引、s e n t c p 3 0 1 、e s r t 3 t l 、 c o d a i 】、p s f q ! ”】等等。这些传输控制协议有些主要是解决可靠性保证 的，有些是解决拥塞控制的，一般可以分为三类：提供拥塞控制的传输控 制协议、提供可靠性保证的传输控制协议、提供拥塞控制和可靠性保证的 传输控制协议。这些传输控制协议的分类如图3 1 所示因为本文主要研 究的无线传感器网络的拥塞控制，所以这些传输控制协议除了几种拥塞控 制算法将在下文介绍外，其它的在这里就不做详细的描述。 1 7 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 图3 1 传感器网络传输控制协议分类 3 3 无线传感器网络拥塞控制 无线传感器网络具有带宽很小、节点资源有限、大规模密集部署、拓 扑结构动态变化等特点。其多跳的数据传输方式和多对一的通信模式常常 导致在靠近s i n k 节点的地方发生拥塞；还有就是在无线传感器网络的某些 应用中，比如说在军事应用领域，由于强烈的电磁干扰情况下产生大量的 伪数据，再加上无线信道的频繁变化，也很有可能造成传感器网络的拥塞。 网络发生拥塞，就会导致信息的丢失、网络吞吐量的下降和传感器节点能 量的极大浪费，因此拥塞控制策略的研究对提升传感器网络的性能具有重 要意义。本文就是着重针对无线传感器网络拥塞控制问题进行分析和研究 的。 在无线传感器网络中主要由两个原因会引起网络拥塞。一是由于数据 包到达节点的速度超出了本地节点处理数据包的速度从而造成节点缓存 的溢出。这种情况经常发生在靠近s i n k 节点的地方，因为这些地方的传感 器节点需要中继传输网络中所有传感器节点采集的数据。第二个是链路层 的原因，包括数据冲突、干扰、误码等。 拥塞将会给传感器网络的能量效率和q o s 带来严重的影响。如果出现 第一种情况的拥塞，传感器节点有限的缓存将会溢出，从而导致数据在传 感器节点中排队时间增加和数据包的大量丢失，这些丢失的数据包不但会 降低数据传输的可靠性和网络的q o s 性能，而且会对传感器节点有限的能 量造成浪费。同样如果是出现链路层的拥塞，则无线信道的链路利用率将 会大大降低，更重要的是链路层次的拥塞将会在基于竞争的信道接入协议 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 中出现严重的传输冲突，传输冲突反过来还会导致本地处理数据包时间的 增加，也会造成能量的浪费。所以在无线传感器网络中拥塞必须要得到有 效的控制，要么避免它要么缓解它，降低网络拥塞带来的影响。 在一般的无线传感器网络拥塞控制算法中，主要包括三个方面的处理 机制：拥塞检测，拥塞反馈和拥塞处理。 1 ) 拥塞检测：在传统有线网络t c p 协议中，判断拥塞是基于端节点