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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 擦除码在无线传感器网络可靠数据传输中的应用 姓名：张荧俊 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：刘西洋;马军昌 20100301 摘要 各项研究表明无线传感器网络具有广阔的发展前景，是下一代网络的研究重 点。但是由于传感器网络的计算、存储以及能量供应都非常有限，使得无线传感 器网络的可靠数据传输面临巨大的挑战。目前数据冗余传输是保证数据可靠传输 的主要方法，这就必然使得擦除码逐渐走进人们的视野。 本文主要分析了目前比较常用的几种常见擦除码，探讨了无线传感器网络中 数据传输的机制。详细分析了基于范德蒙德和柯西矩阵的两种构造R S 码的方式。 研究了T o
2、m a d o 码的若干构造问题以及其基于二分图模型的编译码思想，分析了该 码的度分布原理，通过实验给出了T o m a d o 码的关键参数取值准则。详细阐述了喷 泉码的构造原理，分析了L T 码的度分布，通过仿真说明了波纹对译码性能的影响。 深入理解了无线传感器网络的嵌入式操作系统T i n y o S 及其通信机制。使用n e s C 编程语言实现了上述各种编码。分别基于单跳和多跳构造了网络拓扑图，在仿真 平台T O S S I M 下完成了无线传感器网络中数据传输的仿真。结果显示使用了擦除 码后能够在降低网络负载的同时提高数据传输的可靠性。 关键词：无线传感器网络一可靠数据传输擦除码喷
3、泉码 A b s t r a c t V a r i o u ss t u d i e ss h o wt h a tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sw i l le n j o yb r o a dd e v e l o p i n g p r o s p e c t s 觚dt h a ti tw i Ub et h er e s e 趼c hf o c u so ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t 、) l ，o r k H o w e v m el i m i to fs e l l s o rn
4、 e 觚o r k si I lC o m p u t i n 岛s t o r a g ea n de 1 1 e r g ys u p p l yh a sb r o u 曲tb 追 C h a l l e n g e st oi t sr e l i a b l ed a t a 咖s m i s s i o no fw i r e l e s ss e I l s o rn 神o r k s A tp r e s e I l t ，d a t a f e d u n d a I l c yt 0e I l s u r er e l i a b l ed a t a 仃a 1 1 s m
5、 i s s i o ni s 廿1 em a i nm e t h o do f 仃a n s I l l i s s i o I l w r h i c hn e c c S s 撕l y h a S 蓼a d u a l l yl e de r 舢ec o d e si n t om ep e o p l e sv i s i o n T h i sp a p e rd e a l sw i ms c V e r a le r a s u r eC 0 d e sc o I I l 】【I l o n l yu s e dt o d a ya n dd i s c u s sd a t
6、a 仃 m s m i s s i o nm e c h a n i s m si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o f I ( s nd i s c u s s e si I ld e t a i lR Sc o d e s s 仇J c t u r ep r i n c i p l e 觚l da I l a l y s e st w ol 【i n d so fc o n s 仃I l C t i o nm e m o d so fR Sc o d e S ，w m c h i sb 鹊e do nV a I l d e 咖o n d ea l l
7、 dt l l eC a u c h ym 砌x A n di ts t u m e san _ u m b e ro fs t r u c t l l r al p r o b l e m so f T o m a d oc o d e sa sw e l la sm ee I l c o d i n g 锄dd e C 0 d i n gp 血c i p l ea I l da I l a l y s 部 n l ed e 伊c cd i s 砸b u t i o nw h i c hi sb 硒e do ni t sb i p a n i t e 伊a p hm o d e l 伽d e
8、 l i n e so f k e y v a l u e sp 蝴n e t e r so fT o m a d oc o d e sa r c 百V e I lo u ti nm ep 印e rb a s e do ns i m u l a t i o n n a l s od i s c u s s e si nd e t a i l 廿l es 仃u c t u r eo ft h ef o u n t a i nC o d e Sp r i n c i p l e ，d o e ss o m e 如n l l e r a n a l y s e sa b o u tt h ed e
9、铲e ed i s t r i b u t i o no fL Tc o d e sa I l di 1 1 u s t r a t e sm e 订p p l ee f f e c to nt h e d e c o d i n gp e r f o m a n c et h r o u 曲t h es i m u l a t i o n I tt e l l sm er e a d e rh o wi tu n d e r s t a n d s T i n y o Se 1 1 1 b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n di t sc o
10、m m u n i c a t i o nm e c h 枷s mo fw i r e l e s s s e n s o rn 乩) l ，o r k s B yu s i n gm en e s Cp r 0 黟a m m i n g1 柚g u a g e ，i th a sr e a l i z e dt h ea b o v e c o d e s W i t ht h eT O S S I Ms i m u l a t i o n p l a t f o n n ，w h i c hi s b a s e dr e s p e c t i v e l yo n s i n 舀e -
11、 h o pa I l dm u l t i _ h o pc o n s t l l J c t i V en e t w o r kt o p o l o 酉c a l 铲a p h ，i th a sc o m p l e t e da w i r e l e s ss e l l s o rn e 觚o r kd a t at r a n s m i s s i o ns i I n u l a t i o n T h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，a R e r u s i n gt h ee r a s ec o d e sc a nr e d
12、 u c et h en e t w o r kl o a dw h i l ei n c r e a s i n gt h er e l i a b i l i t yo fd a t a t r a n s m is s i o n K e y w o r d ：W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k s R e U a b l eD a t aT r a n s m i s s i o n E r a s u r e C o d e sF o u n t a i nC o d e s 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明
13、所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得话安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 锄荧俊 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅
14、和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 死获彳炙 导师签名：主乳亟驺L 一 日期醴：主：! ! 第一章绪论 第一章绪论 获取现实世界信息的一种重要工具就是传感器，而实现信息化的前提就是信 息的获取。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，是当前国际上备 受关注的前沿热点研究领域，它将逻辑信息世界和客观物理世界融合在一起，改 变了人类与物理世界的交互方式，
15、扩展人类认识物理世界的能力。本章主要介绍 了课题的研究背景及意义，详细阐述了它的特点及其发展历程，同时介绍了应用 在无线传感器网络中的相关编码技术。 1 1 1 课题研究的背景 1 1 课题的研究背景与意义 近年来，随着个人计算机、计算机网络的普及，因特网对人们生活方式的影 响越来越巨大，越来越多的人享受到了网络带给他们的无限乐趣的同时，也希望 在未来能够出现可随身携带的网络设备，让自身每时每刻都能融入到网络当中来， 这就提高了设备体积和功耗的要求。随着微机电系统( M i c r o E l e c 昀M e c h a I l i s m S y s t e l l l ，M B M S
16、) 技术的发展，奠定了片上系统( S y S t 锄o nC h i p ，S O C ) 等小型综合硬 件技术的基础【l 】，使在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种 功能成为可能，为了满足人们对于高技术产品的需求，网络自动化成为人们关注 的热点。越来越多的人希望网络具有自主控制功能，能够自动根据检测剑的数据 做出相应的调整，希望系统具有自己初步的智能。无线传感器网络简称传感器网 络( w i r e l e s ss e n s o rn e 帆o r k s ，W S N s ) ，它顺应了这种发展趋势，成为人们关注的话题。 随着传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和
17、分布式信息处理技术的 快速发展，W S N s 技术也日益成熟起来，它是传感技术向集成化、微型化、网络化 和智能化方向发展的结果。如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式， 那么W S N s 就是改变人与自然交互的方式，是因特网从虚拟世界到物理世界的延 伸，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【2 J 。 1 1 2 课题研究的意义 w s N s 在新一代网络中扮演关键性的角色，作为一种新的计算模式，它推动了 科技发展和社会进步，有着非常广阔的应用前景。例如在军事应用上，由于w s N s 是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，而可自组织性和容错能力使其不 2 擦除
18、码在无线传感器网络可靠数据传输中的应用 会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，同时由于组成w S N s 的节点很小，这就增加了W S N s 的隐蔽性和可快速部署性，因此W S N s 能很好的 满足军事信息获取的实时性、准确性、全面性等要求。其次在医疗应用【3 】、环境应 用、家庭应用【4 J 中，W S N s 都扮演了重要的甚至是必不可少的角色，它已成为国际 竞争的焦点和制高点，关系到国家政治、经济、社会安全。发展我国具有自主知 识产权的无线传感网络技术，推动我国新型无线传感网络产业的跨越式发展，对 于我国在2 l 世纪确立国际战略地位具有至关重要的意义。因此加速发展和
19、研究 w S N s 在我国更是具有战略意义，未来的任务任重而道远。 随着近年来无线传感器网络飞速发展，传感器网络的应用也越来越广泛，而 对数据传输的可靠性的要求也越来越高。特别是应用在军事战场上，或者是监视 森林火灾、煤矿瓦斯泄露等地方的传感器网络，其可靠数据传输直接影响传感器 网络的安全性、可用性、准确性和可扩展性。由于传感器节点能量、存储、计算 和通信带宽等资源有耐5 】【6 1 ，一般普通网络的可靠数据传输方案并不适合传感器网 络。特别是能量问题，由于节点携带的能量有限，并且一般无法更换电源，为了 延长网络生存周期，传感器网络的任何设计都以节约能源为主要目标。这些特点 使得设计保证传感
20、器网络可靠数据传输的路由协议变得尤为困难。相对于简单洪 泛多路径算法以及链路重传机制来说，采用编码的方式对于增加网络稳定性和降 低所需的传输功耗是一种更好的方法。鉴于无线传感器网络丢包率较高，且通常 M A C 层使用C R C 校验的原因，有损坏的数据包便会被简单丢弃，这种情况下可 将无线信道看成类似B E C 的二元删除信道，此时应用擦除码便能够在极大的降低 发送数据量的同时提高数据传输的可靠性。因此通过研究各种编码从而选择在保 证可靠数据传输的情况下耗能最少的编码方案，并将其应用于传感器网络就具有 了重要的意义。 1 2 无线传感器网络概述 1 2 1 无线传感器网络的发展和现状 与很多
21、技术一样，W S N s 的发展早期也是由军事趋动的。冷战中期的声音监测 系统( S o u n dS u r v e i l l a n c eS y s t 锄一S O S U S ) 、空中预警与控制系统( A i r b o m eW a n l i n g a 1 1 dC o n 臼D lS y s t 锄A W A C S ) 都是最早期的W S N s 。到如今可以认为W S N s 的发展 经历了四个阶段，发展历程如图1 1 所示【7 J 。 普遍认为第一代w S N s 出现在二十世纪七十年代，使用具有简单信息信号获 取能力的传统传感器，利用点对点线路连接传感器和控制器构成
22、了W S N s 的雏形。 这一个阶段的研究主要来自美国军方和自然基金委的资助一些项目。例如1 9 7 8 年 第一章绪论 L 网络连接 JI 总线连接 JI 接口覆盖 JI 直接覆盖 JL I III I1卜l 1rl1 广9 n l n 丘1广( 璃1 9 6 5I1 Q R nll1 0 0 瓦l 图1 1W S N s 的发展历程 由美国国防部高级研究计划署( T h eD e 矗弧s eA d v 趾c e dR e s e 肿c hP r o j e C t sA g e n c y ， D A R P A ) 在宾西法尼亚匹兹堡的卡内基梅隆大学( C 锄e 西eM e l l o
23、 nu I l i v e r s 姆i I l P i t t s b u r 曲，P e n n s y l v a n i a ) 主办的分布式传感器网络研讨会，由于军事防御系统的需 要，提出对W S N s 的通信与计算之间的权衡展开研究。第二代W S N s 出现追述到 二十世纪八十年代，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串、并接口( 如 R S 2 3 2 、R S 4 8 5 ) 与传感控制器相连，构成有综合多种信息能力的W S N s 。第三代 W S N s 大约出现在本世纪初，它在数据传输与编码的研究中使用具有智能获取多种 信息信号的传感器，现场总线技术也被应用于组建w
24、S N s ，组网传感器的种类和数 量都有所增加，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化W S N s 。 这个阶段对w S N s 的信息处理、数据查询、部署覆盖等应用和中间件的相关问题 进行越来越深入的研究，还对w S N s 的通信网络的特性进行了研究，特别是通信 协议的设计和实现。在这个阶段，研究学者们设计提出了许多的通信协议，特别 是数据链路层的M A C ( M e d i 啪A c c e s sC o n t r 0 1 ) 协议和网络层的路由协议。第四代 W S N s 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
25、的传感器，采用自组织无线接入网络，与w s N s 控制 器连接，构成无线传感器网络。 由于w S N s 顺应了当前技术发展的潮流，各国都对其进行了深入研究。2 0 0 1 年，美国国防部在C 4 I s R ( C o m m a n dc o n t r o lC o m m u n i c a t i o nC o m p u t e rI n t e l l i g e I l c e S u r v e i l l a J l c eR e c o n n a i s s a n c e ) 的基础上提出了C 4 K I S R 计划( 增加了鼬l l i n 曲，把 W S N
26、s 作为一个重要研究领域。自此，美国国防部高级研究计划局D A R P A 启动了 S e n s I T ( S e n s o r I n f o m a t i o nT e c h n o l o g y ) 计划，旨在建立一个廉价的无处不在的网络 系统。美国自然科学基金会叫a t i o n a ls c i e n c eF o u n d a t i o n ，N S F ) 自2 0 0 4 年启动 4 擦除码在无线传感器网络可靠数据传输中的应用 N O S S 州e t w o r k i n go f S e n s o rS y S t e m s ) 项目，以资助美国高
27、校从事w s N s 的建模、算 法和协议、体系和系统、网络编程和安全隐私方面等的研究。m t e l 、C r o s s b o w 、 心c hR o c k 和M o t e i v 等公司也针对不同行业提供了硬件平台和解决方案。U C B e r k e l e y 、U C L A 、S t a n f o r d 、H a r v a r d 和哂n i a 等大学都有较大的相关研究组。 2 0 0 5 年，A C M 还增设W S N s 研究的专刊A C MT r a n s a c t i o n sO nS e n s o rN e 觚o r k s ( T O S N
28、) 。 我国w S N s 的研究工作和国外几乎同步展开。起步较早的有中科院沈阳自动 化所，中科院软件所，清华大学，浙江大学，华中科技大学，哈尔滨工业大学， 西北工业大学，黑龙江大学等。从2 0 0 3 年开始，国家自然科学基金，国家“8 6 3 ” 计划和国家“9 7 3 ”计划都资助无线传感器网络研究。中科研软件所、沈阳自动化 所、浙江大学联合申请的项目“面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调 控制论理论“ 获得国家自然科学基金的重点课题资助。中科院微系统与信息技术 所的“微型传感器及其传感器网络技术，武汉大学的“传感器网络及在海洋监测 中的应用关键技术研究”获得“8 6 3 ”计划资
29、助。由上海交大牵头，由倪明选教授 担任首席科学家的“9 7 3 ”项目“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”于 2 0 0 6 2 0 0 7 年度立项，并开始了研究工作。国内研究工作逐渐从国外项目的跟踪， 向有自主知识产权的硬件、软件、算法和应用领域深入开展。 1 2 2 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络的体系结构是指W S N s 的节点布置与通讯结构。节点是组成 W S N s 的基本单位，是一个微型的嵌入式系统，它构成W S N s 的基础平台，其基 本组成见图1 2 。 传感器模块处理器模块无线通信模块 l 传感器HA 。，。c _ 卜j 酱H cH l 能量供应模块 图1
30、 2 传感器节点的体系结构 传感器节点主要由四部分组成，它们是传感器模块、处理器模块、无线通信 模块和能量供应模块 8 】f 9 】。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处 第一章绪论 理器模块负责控制整个传感器节点的操作，是w s N s 节点的计算核心。通常选用 的是超低功耗的微控制器M C U ，负责协调节点各部分的工作，如对数据采集单元 获取的信息进行必要的处理、保存、控制数据采集单元和电源的工作模式等；无 线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据， 由于通信模块消耗的能量在W S N s 节点中占主要部分，所以考虑通信模块的工作 模式和收发能耗
31、非常关键。不仅能量可控的，而且收发数据的功耗要非常低，对 于支持低功耗待机监听模式的技术要优先考虑。目前使用较多的有I 强M 公司的 T R l O O O 、C h i p c o n 公司的C C l o o O 和C C 2 4 2 0 等；能量供应模块为传感器节点提供 运行所需的能量，它负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素，不同的环 境使用的电池一般不一样，比如光照地方强的可能使用太阳能电池，在地质活动 频繁的地方可以通过地热资源或者震动资源来积蓄工作电能，在空旷多风的地方 可以采用风力获得能量支持。不过通常采用都是化学电池，特别是微型电池，由 于节点一般无法更换电源，这样也导致
32、了传感器节点的生命周期与电池容量成正 比。 各种传感器节点随机分布构成了W S N s 【1 0 】。图1 3 就是一个典型的无线传感器 网络。 图1 3 无线传感器网络体系结构 典型的无线传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点以及任务管理节点。 大量传感器节点通过随机部署或者确定部署的方式分布在监测区域内，通过自组 织方式形成多跳无线通信网络。传感器节点负责采集感兴趣事件或者目标的相关 信息，并沿某条路径通过其它节点将数据逐跳传回汇聚节点，最后再由汇聚节点 通过I I l t e m e t 或者卫星网络将数据传送给任务管理节点。而用户通过任务管理节点 6 擦除码在无线传感器网络可靠数据传输
33、中的应用 对W S N s 进行配置和管理，此时用户可以发布监测任务，更新节点数据以及收集 监测数据等。通过图1 3 所示的无线传感器网络，可以发现传感器节点兼顾了传统 网络节点的终端和路由器功能，使用更加灵活。S i l l l ( 节点可以是一个j 爿j 有足够的 能量供给和更多的内存与计算机资源的节点，也可以是没有监测功能仅带有无线 通信接口的特殊网关设备。 1 2 3 无线传感器网络的特点 组成无线传感器网络的主体是传感器节点，而节点自身的存储、运算和所携 带的能量都很有限的原因，使得W S N s 也有自己的特点【l 】【5 】【9 】。 ( 1 ) 以数据为中心 以数据为中心是W
34、S N s 最主要的一个特点。首先因为W S N s 中节点数目巨大， 而且由于网络拓扑的动态特性和节点放置的随机性，使得节点并不需要也不可能 以全局唯一的口地址来标识，只需使用局部可以区分的标号标识。每个节点仅仅 知道自己邻近节点的位置和标识，通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理 和通信，具有很强的协作性。其次，W S N s 是一个任务型网络，其核心是感知数据 而不是网络硬件，用户关心的也是感知事件的区域及事件信息本身，而不是某个 节点汇报的数据或者说是传感器节点本身。上述两点体现了传感器网络数据收集 等是以数据为中心进行，并不是依靠节点的标号。 ( 2 ) 资源受限 主要表现在三个方
35、面。一是电源能量有限，由于传感器节点的供电来源通常 是能量有限的电池，而传感器节点经常部署在环境恶劣复杂的无人区，通过更换 电池来补充能量的方式是不现实的。因此W s N s 的首要设计目标是高效使用能量， 这也是W S N s 与传统网络最重要的区别之一。其二是传感器节点的通信能力非常 有限，通信带宽通常仅有几百k b p s ，无线通信的最大发送功率仅有几十毫瓦。比 如T e l o s b 节点的通信带宽为2 5 0 k b p s ，发射功率为6 3 m w 。一般传感器节点无线通 信的能耗与通信距离的，z ( 2 B ，则推测在第七+ 1 个间隔内将发生拥塞。这也是传统 网络中网络节
36、点进行拥塞检测的主要方法。但是由于无法对无线信道繁忙程度进 行很好的估计，所以在W S N s 中该方法不能很准确地预测拥塞。 ( 2 ) 信道负载主要解决信道拥塞，可以令节点通过监听信道是否空闲来判断自 第二章W s N s 的可靠数据传输1 3 身是否处于拥塞状态。该方法准确程度较高，但是由于长时间监听信道会加大节 点的能量开销，所以也不是很好的方法。 ( 3 ) 拥塞度是另一种拥塞检测的方法，是指平均包服务时间和平均包间隔时间 的比率。若设连续到达节点f 的M A c 层的两个包之间的时间间隔为f 。( f ) ，一个包 从到达M A C 层到其被成功发送的时间间隔为包服务时l 、日Jf
37、 。( f ) ，对节点f 的拥塞度 为d ( f ) ，那么d ( f ) = ( f ) 乞( f ) ，若拥塞度d ( f ) 的值大于1 ，则表示节点f 是处于发 生拥塞的趋势中，反之则空闲。 ( 4 ) 还有一种方式称为缓冲区和信道，它是将前两种方法相结合，能够克服前 两种方法各自的缺点。C o D A ( C O n g e s t i o nD e t e c t i o na I l dA v o i d a n c e ) 拥塞控制协议【2 5 】 就是采用这种方法进行拥塞检测。它在缓冲区非空时进行信道状态周期性采样， 在准确检测拥塞的同时减轻了能量开销。 当节点检测到拥塞的
38、时候会使用拥塞控制协议减轻拥塞带来的影响，一般可 以分为流量控制方式，多路分流，数据聚合和虚拟网关，每一种方式都有各自拥 塞控制协议。现如今并没有完美的拥塞控制协议，这也是学者们今后研究的方向。 2 2 2 路由控制 W S N s 的路由协议大致可以分为四类，他们分别是能量感知路由协议、基于查 询的路由协议、地理位置路由协议、可靠的路由协议。好的路由控制也能大大提 高数据传输的可靠性，如果数据在传输的过程中，合理选择下一跳节点，那么不 仅可以减少丢包率，还能节省能耗。 如今可靠路由协议主要从两个方面考虑：一是利用冗余节点，提供多条路径 以保证通信的可靠性；二是建立对传输可靠性的估计机制，从而
39、保证每一跳传输 的可靠性。以下就这两种情况分别简单介绍两种路由。 ( 1 ) 多路径路由机制 w S N s 使用多路径路由就是为了提高数据传输的可靠性和实现网络的均衡负 载。其首要问题是如何建立数据源节点到S i n k 节点的多条路径。定向扩散路由 ( D i r e c t e dD i f 如s i o n ，D D ) 是一种基于查询的路由机制【圳，也是一种多路径路由机制。 当有数据查询需要时，S i I l l 【节点首先通过洪泛兴趣消息形成传输梯度，然后再建 立数据源节点到S i l l l ( 的多条路径，最后通过路径加强消息选择一条主路径传输数 据。 ( 2 ) R e I
40、n F o r M 路由 R e I I l F o r M ( R e l i a b l eI n f o n l l a t i o nF o n 莉i n gu s i n gM u l t i p l ep a t h s ) 路由也是一种 从数据源节点到S i l l l ( 节点的路由。主要分三步：从数据源节点开始，考虑可靠性 需求、信道质量以及传感器节点到S i n k 的跳数，以此决定需要的传输路径数目； 1 4 擦除码在无线传感器网络可靠数据传输中的应用 然后在邻居节点中选择若干节点作为下一跳转发节点，并给每个节点按照一定比 例分配路径数目；最后数据源节点将分配的路径数作为
41、数据包头中的一个字段发 给邻居节点。邻居节点在接收到数据源节点的数据后，将自己视作数据源节点， 重复上述数据源节点选路过程。 2 2 3 数据冗余 数据冗余也是一种重要的可靠数据传输技术，是本文研究的重点。其基本思 想是增加数据的传输量来保证数据传输的可靠性。这里谈论的并不包括节点数量 的冗余，即在源节点到单个目的节点的时候不采用多路径传输，仅仅说的是数据 的冗余发送。 冗余发送又可以分为三种【2 2 J ： ( 1 ) 拷贝冗余 这种方式主要用在节点转发的时候创建一个数据包的多个拷贝，并同时向多 个邻居节点转发。从简单的多次洪泛协议到A F S 协议以及前面提到的R e 眦o r M 协议都
42、使用了这种方式。这种方法需要解决一个核心问题是节点如何根据当前的 网络状况确定选择合适和一定量的邻居节点来满足可靠性要求。 ( 2 ) 重传冗余 该方式是在接收端判断数据包中相关序列号的连续性来辨别是否丢包，若发 现丢包则将信息反馈给当前持有该包的节点要求重传，也就是所谓的自动请求重 传机制( A u t o m a t i cR e q u e s tf o rR 印e t i t i o n ，A R Q ) 。反馈方式有三种【2 3 1 ，分别为 A C K ( a c k n o w l e d g e ) 、N A C K ( n e g a t i V eA C K ) 、I A
43、C K ( i m p l i c i tA C K ) 。A C K 方式使用 了重发定时器，若在重发定时器超时之前收到了来自目的节点对此数据包的A C K 控制包，那么认为该包成功传送，否则重发该数据包并重新设置定时器。这种反 馈方式由于负载和能耗太大，在w S N s 中不可取。N A C K 则无须设置定时器，目 的节点只有检测到数据包的丢失才反馈N A C K 控制包，因此N A C K 只需针对少量 的数据包反馈，减轻了A C K 方式的负载和能耗，但是它必须知道每次传输的界限， 否则无法保证可靠性。而执C K 方式中，发送节点缓存数据包，它不需要传输控 制包，但他需要监听接收节点
44、的数据传输，若发现接收节点发出了该数据包，那 么取消缓存。虽然该种方式负载和能耗最少，但是只能在单跳内使用，并且需要 节点能够正确的监听到邻居节点的传输情况。 使用A R Q 在W S N s 中有局限性，特别是遵循端到端( e I l d t 0 e n d ) 的设计思想的 时候，比如T C P 协议，数据包重传都要从发送端出发经历多跳传输路径到达目的 端，引发整条路径上的能量消耗。另外A R Q 会引起发送端发送速率下降，超时几 率增加，这导致重传信息增多。而重传信息又会反过来引入更多的超时，最终使 第二：章W S N s 的可靠数据传输 1 5 得网络出现大量的分组，使得拥塞几率大增，
45、所以根本不适合w S N s 。而较为理想 的N A C K 回馈方式在数据分发的情况下，即采用多播( M u l t i c a s t ) 传输或者广播 ( B r o a d c a s t ) 传输时，很可能出现上游的某个节点处发生丢包引发下游传输路径的所 有节点接连发送N A C K 请求的现象，引发N A C K “内爆”，这给只有有限资源的 节点带来了很大的负担 ( 3 ) 编码冗余 编码的本质是通过降低信息的传输率从而提高数据传输的抗干扰能力，这种 方式使用的是一种叫做擦除码( e r a s u r ec o d e ) 的容错机制【1 8 】。它可以将尼的原始数据 经过编码
46、生成玎( 挖 七) 个编码数据，而这刀个编码数据中的任意朋( m 后) 个可以重 构后个原数据。下文会更详细讨论编码冗余。 2 3 编码在W S N s 的可行性分析 由于w S N s 的部署特点和节点结构，使得高效的利用能量至关重要，而使用 编码技术势必增加了节点的计算能耗，所以需要从节点能耗入手，看看编码是否 在节点能耗上占有一定优势。 在上一章图1 2 中，可以清楚看到除了硬件自身固有的能耗外，传感器的节点 能量消耗模块一般包括传感器模块，处理器模块和无线通信模块。随着微电子技 术的发展，传感器和处理器消耗的能量越来越低，而与通信模块的能耗比例差距 却越来越大。在2 0 0 2 年的M
47、 o b i c o m 上，D e b o r a hE s t i n 叙述了传感器节点各模块的 能耗情况1 2 7 J ，图2 1 是该情况的描述。 图2 1 传感器节点各部分能量消耗 从上图很明显看到处理器模块耗能情况与通信模块耗能情况差别极大。通信 1 6 擦除码在无线传感器网络可靠数据传输中的应用 模块包括四种状态：发送、接收、空闲和睡H 民，其中发送状态的时候耗能最大， 接收和空闲状态耗能情况相当，但是仍然接近发送状态的能耗。换句话说除了节 点在睡眠状态外，其余时候都保持相当高的能耗。据估算，单跳传输l 比特的数 据l o o 米所耗的能量可供处理器执行至少3 0 0 0 条计算
48、指令。因此，如果使用编码 的时候如果可以在保证可靠性的同时大大减少了数据量的传输就可以达到节能的 目的。 在W S N s 中使用编码可以行的通还必须基于这样一个事实网络链路质量 不理想。因为如果链路质量非常好，那么采用自动重发请求机制不失一个最佳的 方案，这个时候几乎不需要重发请求，也就不存在N A c K “内爆”问题。可是w S N s 使用的信道一般为I s M 频段，使得网络传输的误码率较高，同时由于无线链路是 开放的有损传播介质，即使忽视路径损耗，仍然不可避免的存在着多径衰落和阴 影效应。由于随着通信距离的增加，通信能耗成指数增长，因此多数人在这种情 况下会认为在传输路径中增加节点
49、，尽量采用短步跳的方式，既可以提高链路质 量又能够节省能耗，事实正好想反。 距离并非传感器节点能耗的关键因素。一个传感器节点的能耗不仅包括通信 距离相关的能耗，同时也包括了硬件本身的固有能耗2 8 】【2 9 1 。 E = 口+ 膨”式( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，E 代表了传感器节点的总能耗，口晶体磁震荡的能耗，表示放 大器因子，d 是通信距离，以是衰减因子。膨”就是距离能耗，可以看出E 确实与 d 成指数关系，但是实际上口消耗的能量远大于脚“，关键的原因就是w S N s 中 的节点发射功率并不会很大。 A t h e r o s 提供的A t h e r o s 2 0 0 4T r i m o d ec h i p s e t 能量模型参数【3 0 】非常清晰的说明 了这一点： 表2 1A m e m s 2 0 0 4T r i m o d cc h i p s e t 能耗参数 M o d e & D a t aR a t e o I l t p u tP o w e “d B m ) T o t a lP o w e r ( W a t c ) o u 咖订o t a l 8 0 2 1 l