无线传感器网络数据传输可靠性研究

谢慧玲

（湖北经济学院 信息与通信工程学院，湖北 武汉 430000）

0 引 言

无线传感器网络是信息技术高度发展的产物，包含传感器技术和无线通信技术，在智能交通、智能工业控制和环境监测等诸多领域应用广泛，更是构建物联网的基础技术。在无线传感器网络兴起时，受限于电池容量和传感器节点能耗，研究更倾向于能量使用效率。随着电源技术的发展和节能硬件的开发，人们开始更多地关注数据传输的可靠性。信息可靠是信息分析与决策的基础。无线传感器网络往往部署在难以控制的野外环境，资源受限，且不同应用领域网络形态各异。条件的不稳定性使得提升无线传感器网络数据传输可靠性较为困难，但又亟待解决。

1 无线传感器网络数据传输可靠性研究意义

无线传感器网络典型结构如图1所示，主要包括传感节点、汇聚节点、传输网络及用户。作为实体节点的传感节点和汇聚节点，是实现数据传输的关键部分。传感节点负责感知信息，简单处理后与其他节点进行信息交互；汇聚节点负责收集网络内部信息并进行综合分析计算；最后，通过外部网络将有效信息传输至用户。

无线传感器网络数据传输可靠性研究始于20世纪初[1]，定义至今未统一，可借鉴国标中可靠性的定义理解WSN数据传输可靠性，即WSN在既定条件与期限内，实现满足用户需求的数据传输的能力。研究WSN数据传输可靠性是实现WSN常规应用的基础，同时是探索WSN深入应用的关键。具体而言，研究WSN数据传输可靠性具有重要意义：（1）应用新技术保障数据生存和有效传输，提升数据传输可靠性；（2）借鉴一般网络数据传输可靠性研究方式方法，结合无线传感器网络自身特点，形成评价方法，以实现对WSN数据传输可靠性的客观、科学评价；（3）将数据传输可靠性评价方法应用于WSN设计阶段[2]，利用评估结论有针对性地合理优化网络结构、节点部署以及能量消耗效率，进一步提升数据传输可靠性。

图1 WSN典型结构

本文先介绍WSN数据传输技术可靠性评估方法，再总结归纳近年WSN可靠传输技术的前沿进展，并基于归类及分析比较提出未来的研究方向。

2 无线传感器网络数据传输可靠性评估方法

无线传感器网络与传统网络有许多共同之处，且传统网络可靠性经过数十年的发展已建立完整、成熟的评价体系[3]，故WSN数据传输可靠性的评价更倾向于借鉴传统网络可靠性评价方法。这些方法多以概念论和图论为理论基础，为简化模型和方便分析，需先假定条件。具体地，限定节点与链路等基本元素的含义、可能状态及相互独立性，从图的连通性出发，以连通概率为研究对象，建立数据传输可靠性模型。

一般地，WSN的基本表达式为：

其中，V为WSN传感器节点集合，E为WSN链路集合。

北京航空航天大学江逸楠等人在结合网络覆盖性定义WSN数据传输可靠性的基础上，在二元决策图的应用中引入CCF因素，构建了WSN可靠性模型。

北京航空航天大学周强等人借鉴分布式系统可靠性建模方法，针对WSN特点，在构建WSN网络模型和任务模型的基础上，从单一任务可靠度逐步推演出系统总体可靠度模型，如式（2）所示。同时，此种基于任务的可靠性模型更偏向于系统可靠性的局部指标。

其中，kS,D为源节点S到目的节点D的路径个数；为第i条路径的可靠性；M为系统总体任务个数。

近10年，可靠性模型又进一步考虑节点和链路的动态变化，Bruneo等人提出了针对节点可靠性的概念，并结合剩余能量，综合建立了节点可靠性模型；东南大学姜禹等人基于效能分析提出了网络可靠性评估模型，侧重考虑系统效能的动态变化。

3 无线传感器网络可靠传输技术的研究进展

世界上无线传感器网络的标准较多，没有实现统一，但各自都有对应的应用领域。其中，IEEE 802.15.4已被广泛接受并认同为WSN的底层标准，ZigBee等其他诸多标准也选择它作为共同基础进行拓展。IEEE 802.15.4标准定义的网络支持CSMA-CA技术，同时支持确认机制，能有效降低数据传输过程因环境影响造成的误码率，从而提高数据传输的稳定性。目前，许多针对WSN的可靠传输技术均来自IEEE 802.15.4标准修订。表1从多个指标对主流可靠传输技术进行列表比较。

表1 主流可靠传输技术的指标对比

表1中，各指标的具体含义如下。

（1）数据传递方向。数据上行表征的传感器节点将感知信息传递到汇聚节点，即信息采集过程中数据的传递方向；数据下行则是用于发送查询和调整节点参数等信息。

（2）可靠性保证手段主要包含重传、冗余及混合三种类型。其中，重传能耗大，但形式简单，易操作；冗余可以减小重传压力，同时增大网络负载；混合是前两者的叠加。此外，新兴的可靠性保证手段还有网络编码等。

（3）可靠性度量。事件可靠性仅要求汇聚节点掌握单一事件发生的充分信息；包可靠性则条件苛刻，要求汇聚节点掌握所有传感器节点的感知信息。

（4）恢复方式指的是恢复丢失数据包的方式。端对端发生在汇聚节点上，逐跳发生在每一跳中。

4 结 论

本文从WSN数据传输可靠性的研究意义出发，系统介绍了国内外WSN数据传输可靠性评估方法和各自的侧重点，以可靠性保证手段等作为评价指标，对比近年主流可靠传输技术。数据传输可靠性评估方法虽

在传统网络传输可靠性评价的基础上有所发展，但未能充分考虑能耗和网络动态变化。因此，未来可靠性评估研究方向应集中在构建更贴合实际、引入更多约束条件的评估模型上，同时为应对未来复杂的可靠性模型，优化现有模型，着力开发针对各个领域的仿真工具服务于可靠性评估。WSN可靠传输技术虽然辐射范围较广，但每种技术间未能做到取长补短，灵活性较差，无法应对动态拓扑。未来，WSN可靠传输技术研究方向应综合、优化前期的研究成果，深入研究动态拓扑，同时充分关注电池、无线充电等相关技术的发展，一旦新技术成熟，将迅速应用于WSN可靠传输技术，以期更好地提高数据的传输可靠性。