对几种无线传感器网络传输协议的研究综述

杨丽圆 张旭阳

摘要：无线传感器网络是一种基于分布式的并由许多传感器网络节点构成，节点使用无线通信技术以自组织和多跳的方式的网络。由于无线通信链路受环境影响较大且资源有限，和实时变化的网络拓扑结构，对于提供安全可靠传输带来极大挑战。本文通过对现有几种无线传感器网络传输协议的比较研究，总结了关于拥塞控制机制和可靠传输协议的特点。对近些年改进协议的分析比较，指出未来的研究方向。

关键词：无线传感器网络 可靠传输 拥塞控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

0 引言

随着现代通信技术的飞速发展，卫星通信技术、无线传感器技术、互联网技术等在各个领域都实现了自身价值，尤其是无线传感器网络已经成为各大高校研究的热点。无线传感器网络把通信、传感器、信息分布式处理技术、嵌入式等技术进行了融合，一个典型的无线传感器网络是由网络节点、卫星或者互联网、接收发送器汇聚节点和任务管理节点等组成。把传感器节点随机放在需要监测的区域范围内，各节点通过协作进行实时监测并感知目标区域内对象的信息。无线传感器网络能够在环境恶劣的条件下获取更多目标对象的信息，然后进行处理和存储，目前无线传感器网络应用于各种领域，例如：国防军事、健康管理、气候监测、道路交通、工业控制等等。

1 传输协议研究现状

由于对传输的数据安全性的要求，无线传感器网络需要有端到端可靠数据传输功能。 传统Internet主要使用 OSI 参考模型中的 UDP 和 TCP 协议来控制数据传输。其中UDP 是无连接的， 不提供可靠的数据传输协议；而TCP 则是面向连接的端到端的可靠数据传输协议， 利用滑动窗口机制进行数据拥塞控制。但是由于传感器节点在计算能力、数据处理、信息存储等方面的限制，传统的 TCP 协议不能直接应用于现有的无线传感器网络。目前对于无线传感器网络的研究主要侧重于两个方面，一个是网络拥塞控制，另一个是数据可靠传输。

2 拥塞控制协议

无线传感器网络拥塞主要分为两种，其中一种是无线节点拥塞，这种拥塞是由于传感器节点需要发送数据分组的大小超出该节点自身的能力范围，缓存队列发生溢出，导致数据分组丢失和网络排队延时增加。另一种是无线链路拥塞，由于无线信道是共享的，当多个传感器节点共同竞争使用同一个信道时会产生访问冲突，并引发无线链路拥塞，使链路利用率降低。无论是以上哪种拥塞，都会严重影响无线传感器网络传输性能以及网络能量消耗，因此需要及时避免网络拥塞，有利于链路利用率的提高。下面对几个典型控制协议进行了研究，分析其优缺点以及需要改进的方向。

SenTCP[1]是拥塞控制协议其中的一种，采用开环、多跳的传输控制方式。该协议由三个方面组成：拥塞度的计算、发送反馈信号、对接收的反馈信号进行及时处理。通过平均传输时间和平均处理时间对每一个中间节点，进行拥塞度的估计。SenTCP采取逐跳的拥塞控制，这种方式得到的反馈消息可以减少拥塞的发生从而降低数据包丢包率，使传感器网络能量损耗降低并在一定程度上提高网络吞吐量，但是没有数据丢失后进行恢复的机制。

ESRT是一种基于速率调节的拥塞控制协议。该协议通过对无线传感器网络可靠性和网络能耗的综合考虑，对节点报告速率的适当调整，使网络拥塞得到减少的同时提高数据传输可靠性和网络能量的节约。该协议的缺点是需要网关对整个网络进行覆盖，对所有传感器节点采用统一的调整，对突发情况不能很好的应对。

Buffer-based协议是一种基于缓冲队列管理的轻量级控制机制。传感器节点在发送数据包时把自身缓存区使用情况通过数据包包头携带发送出去，所有的邻居节点都能得到该节点的消息。当节点向下传输数据时，都需要对相邻节点队列缓存区进行检查，看是否发生溢出情况，如果发生溢出，立刻停止数据包的发送，直到监听到该节点缓存队列为未满状态时，才进行数据包的发送。改协议很大程度上减小了网络拥塞的发生，提高了链路利用率，但是当数据量激增时，会增加排队时延。

3 可靠传输协议

可靠传输协议用来保证传感器网络节点感知的有效数据能够有序、无丢失和无差错的传输到汇聚节点，向用户提供安全可靠的数据传输服务。接下来对以下几个协议分别进行介绍。

PSFQ协议[2]一种点到点逐跳的差错恢复机制，数据确认使用NACK。有三个步骤：倾注、提取、报告。该协议基本做法是在逐跳传输数据分组时，发送节点以较慢的速度发送数据分组，当接收节点发现数据分组丢失后，迅速报告给发送节点，并请求重传数据分组。该协议要求节点在数据传输的时一直处于“苏醒”状态侦听信道， 耗能较大；未考虑网络拥塞情况，把数据分组丢失归为无线信道错误引起的。

RMST是可靠传输协议一种，该协议以定向扩散路由协议为基础。通过对传感器节点进行配置，使其有两种模式，一种是缓存模式，它对应于逐跳的数据传输，从信源到信宿节点的链路上的每个节点都要进行缓存维护，并且还需要参与数据分组的丢失检测。另一种是非缓存模式，只有信源和信宿两个节点需要进行维护缓存，其他节点都不需要，而对于数据分组丢失的检测是由信宿节点进行。但是协议没有拥塞控制机制，也没有明确的确认机制，不能保证数据分组顺序到达。

由于传统的Internet的TCP协议采用滑动窗口确认模式，需要缓存已发送的数据分组，等收到接收方的确认消息时，窗口向前移动，发送节点要发送的数据分组不能超过窗口的大小，降低了网络吞吐量。而RBC协议对此进行了改进，采用多个不同优先级队列管理机制，对需要发送的数据分组和未得到确认的分组进行管理，使用无窗口确认模式和无序分组转发，提高了网络吞吐量。此外，RBC定义了动态的重传定时器，减少了不必要的重传，同时对共享信道进行了改进，区分信道争用方的优先级，减少信道争用冲突。但是该协议还是存在一些缺点，传感器节点在进行数据传输监听信道和对数据包进行处理时开销较大，而且队列结构复杂不好实现。

BRTM协议是针对传感器网络节点不同数据发送方对数据流安全性的不同要求，提出的双向可靠传输协议。由于节点和互联网之间进行数据通信，当节点给互联网发送收集到的对象信息时，数据包的冗余度比较高，但是对于可靠性要求较低，网关只对其中数据变化较大的一些数据包使用ACK进行确认；而当网关给节点发送查询的数据包时，对可靠性要求较高，所以网关通过在自己发送的数据包包头加入特殊标识，使节点在接收到数据包时知道其传输界限，并使用NACK反馈确认消息。由于BRTM使用端到端的控制方式，严重影响了传输效率，因此在这方面需要改进。

4 结论

由于传感器网络资源非常有限，要适应各种复杂的环境条件，目前传统的传输控制协议在传感器网络中并不适用。通过对现有一些改进协议的研究，虽然在一些方面对传感器网络的性能进行了提高，但是只是针对一些特定的条件，不能完全适用于其他环境。随着无线传感器网络技术的不断完善，各种新的传输控制协议不断被提出，越来越能够适应各种环境。但是在研究的过程中，要注意各种条件的综合考虑，把好的协议进行一定融合，像擁塞控制、可靠传输、数据恢复，重传机制等方面，得到最优方案。目前的研究成果甚少 ，大多不够统一、系统和完整 ，实际中存在很大差距，大量问题尚待发现和解决。

参考文献

[1] 邱赟.无线传感器网络传输控制协议研究[J] Signal Process&System; ，2007.

[2] 朱晓娟.无线传感器网络数据传输可靠性研究综述[J] 计算机科学 ，2013.