無線傳感器網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡－－傳輸層協(xié)議目錄可靠性要求傳遞singleofpackets傳遞blocksofpackets傳遞streamsofpacketsFocusofthistutorial可靠性方面Coverage&deployment當有事件發(fā)生時是否有足夠的節(jié)點可以監(jiān)測事件的發(fā)生？是否有足夠的節(jié)點可以精確地測量數(shù)據(jù)?如何布置這些節(jié)點？Informationaccuracy哪些被測量的數(shù)據(jù)必須被傳送到哪里以保證一定的精確性?如何在第一時間內處理那些不精確的測量?Dependabledatatransport一旦確定哪些數(shù)據(jù)被傳送到哪里，如何保證它們準確地到達?Howtodealwithtransmissionerrorsandomissionerrors/congestion?可靠性協(xié)議物理層

物理層是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通信的基石，其可靠性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的容錯能力。物理層主要負責數(shù)據(jù)的編碼調制、解調解碼、發(fā)送與接收。對于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間的通信，為了使得數(shù)據(jù)能夠被可靠地傳輸或接收，必須要做到高的接收機靈敏度、低的背景噪聲及較強的抗干擾能力。

可靠性協(xié)議鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要負責數(shù)據(jù)流的多路選擇、數(shù)據(jù)幀偵測、媒介訪問、差錯控制，保證了點到點、點到多點的可靠性鏈接。媒介訪問控制為數(shù)據(jù)傳輸建立通信鏈路，并提供對共享媒介的公平、有效的訪問。它需要減少或避免媒介中的包沖突。差錯控制主要采用自動重發(fā)請求（ARQ）和前向糾錯（FEC）?？煽啃詤f(xié)議網(wǎng)絡層

建立局部多路徑可靠性協(xié)議網(wǎng)絡層

定向洪泛可靠性協(xié)議傳輸層事件匯聚到Sink可靠性協(xié)議傳輸層----

從匯聚節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸

PSFQ（PumpSlowly,FetchQuickly）為無線傳感器網(wǎng)絡的重編程或重新指定任務提供了可靠傳輸，并提供了到接收端延遲保證。源節(jié)點低速向網(wǎng)絡注入數(shù)據(jù)包以避免網(wǎng)絡擁塞，接收節(jié)點有足夠的時間來檢測這些數(shù)據(jù)包是否丟失，假如發(fā)生丟失就請求重傳。當節(jié)點收到的包序號不等于上一個包序號加1，那么就認為有包丟失。這個節(jié)點在收到正確的包之前停止繼續(xù)發(fā)送包。

可靠性協(xié)議傳輸層----

從匯聚節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸

PSFQ重傳機制

可靠性:術語“可靠的”是涵蓋性術語主要指標（穩(wěn)態(tài)的）可用性–probabilitythatasystemisoperationalatanygivenpointintimeAssumption:Systemcanfailandwillrepairitself在時間t的可靠性–Probabilitythatsystemworkscorrectlyduringtheentireinterval[0,t)Assumption:Itworkedcorrectlyatsystemstartt=0相應速度Responsiveness–ProbabilityofmeetingadeadlineEveninpresenceofsome–tobedefined–faults包成功的概率–Probabilitythatapacket(correctly)reachesitsdestinationRelated:packeterrorrate,packetlossrate誤碼率Biterrorrate–ProbabilityofanincorrectbitChannelmodeldeterminespreciseerrorpatterns可靠性約束無線傳感器網(wǎng)絡為了可靠的傳輸數(shù)據(jù)需要考慮的約束條件：TransmissionerrorsoverawirelesschannelLimitedcomputationalresourcesinaWSNnodeLimitedmemoryLimitedtime(deadlines)Limiteddependabilityofindividualnodes機制:冗余Redundancyinnodes,transmissionForwardandbackwarderrorrecoveryCombinationsarenecessary!可靠的數(shù)據(jù)傳輸–背景傳輸?shù)膶ο骃inglepacketBlockofpacketsStreamofpackets保證水平GuaranteeddeliveryStochasticdelivery有關實體InvolvedentitiesSensor(s)tosinkSinktosensorsSensorstosensors50%delivered限制條件能量SendasfewpacketsaspossibleSendwithlowpower!higherrorratesAvoidretransmissionsShortpackets!weakForwardErrorCorrection（FEC）Balanceenergyconsumptioninnetwork處理功率OnlysimpleFECschemesNocomplicatedalgorithms(coding)存儲器StoreaslittledataasbrieflyaspossibleOverview可靠性要求DeliveringsinglepacketsSinglepathMultiplepathsGossiping-basedapproachesMultiplereceiversDeliveringblocksofpacketsDeliveringstreamsofpackets傳遞單個數(shù)據(jù)包–主要選擇目的接收器是什么?單個接收器?多個接收器?在周圍?展開?移動的?哪些路由結構可用?Unicastroutingalongasinglepath?Routingwithmultiplepathsbetweensource/destinationpairs?Noroutingstructureatall–relyonflooding/gossiping?單個包經(jīng)過單個路徑到底單個接收器單個多跳路徑可由某一路由協(xié)議得到問題:哪個節(jié)點監(jiān)測丟包(使用哪些指示器)?要求重傳？執(zhí)行重傳？在單個包傳遞的時候檢測包或信令丟失檢測單個包丟失:

只有肯定確認positiveacknowledgements(ACK)可行否定Negativeacks(NACK)不可行–接收機通常不知道哪個包應該到底，不能發(fā)NACK哪個節(jié)點發(fā)ACKs(以避免重傳)?在每個中間節(jié)點，在MAC/link層通常伴隨著鏈路層重傳通常有限定的重傳次數(shù)在目的節(jié)點傳輸層重傳問題:定時器選擇執(zhí)行重傳鏈路層確認:鄰居節(jié)點傳輸層確認:源節(jié)點!

端到端的重傳Question:Couldanintermediatenodehelpinanend-to-endscheme?Howtodetectneedforretransmissions?Howtoretransmit?Tradeoff:端到端vs.鏈路層重傳場景:單個包,從源到目的節(jié)點經(jīng)過n跳，二進制對稱信道（BSCchannel）鏈路層，端到端重傳鏈路層重傳:最大重傳的次數(shù)是不同的在其范圍內仍然不成功就丟棄包

!

對于好的信道，使用端到端方案;否則使用局部重傳ExpectedenergycostTheBSCisabinarychannel;thatis,itcantransmitonlyoneoftwosymbols(usuallycalled0and1).Thetransmissionisnotperfect,andoccasionallythereceivergetsthewrongbit.Tradeoff:端到端vs.鏈路層重傳相同的場景,條數(shù)是變化的BER=0.001ofBSCchannelfixed

!

鏈路層重傳僅適用于較長的路由Expectedenergycost多個路徑類型:不相交（disjoint）or編織的（braided）使用默認的或可用的多條路徑同時發(fā)送相同的包發(fā)送多余的片段例子:ReInForM多路徑:不相交或編織的SourceSinkDisjointpathsPrimarypathSecondarypathSourceSinkBraidedpathsPrimarypath可靠數(shù)據(jù)傳輸造成數(shù)據(jù)包丟失的原因主要有三個方面：無線傳感器網(wǎng)絡所使用的無線信道較之有線鏈路有更大的不穩(wěn)定性以及更高的誤碼率，很容易受到周圍環(huán)境噪聲的影響造成數(shù)據(jù)包的丟失。另外在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點的布撒密度非常高，不同節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時極易發(fā)生信道競爭沖突以及碰撞造成數(shù)據(jù)包丟失。當無線傳感器網(wǎng)絡中發(fā)生擁塞時，擁塞節(jié)點緩沖區(qū)溢出造成數(shù)據(jù)包丟失。接收節(jié)點因為數(shù)據(jù)包到達過快來不及處理造成數(shù)據(jù)包丟失。差錯避免可靠傳輸ACK確認重傳機制

數(shù)據(jù)包冗余傳輸機制

多路徑傳輸機制

FEC前向糾錯碼機制

單分組傳遞：ReliableInformationForwarding

usingMultiplePathsinSensorNetworks(ReInForM)ReInForm方法是基于在多條路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)包的多個拷貝來提高數(shù)據(jù)包傳輸可靠性。從數(shù)據(jù)源節(jié)點開始，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性、信道質量以及傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，確定需要的傳輸路徑數(shù)目，以及下一跳節(jié)點數(shù)目和相應的節(jié)點。鄰居節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)后，將自己視作數(shù)據(jù)源節(jié)點，重復上述數(shù)據(jù)源節(jié)點的選路過程。實現(xiàn)滿足可靠要求的數(shù)據(jù)傳輸。

Example:ReliableInformationForwarding

usingMultiplePathsinSensorNetworks(ReInForM)目標:通過多條路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包來滿足傳遞概率P假設:獨立路徑,二進制對稱信道BSC節(jié)點知道本地的包錯誤率eStep1:源節(jié)點決定使用哪些路徑Successprobabilityoverasinglepathwithnshops:1-(1-e)ns

SuccessprobabilityoverPpaths:1-(1-(1-e)ns)P

Shouldbe?rs,solveforP:

Notethereisnofloor/ceilinginthisformulaReInForM–ForwardingtoneighborsSourcenodepicksaforwarderclosertodestinationthanitselfRemainingneighbors:

P′=P–(1-es)ChooseP′neighborstoadditionallyforwardpacketIfpossible,onlyneighborsclosertodestinationIfnotsufficient,useneighborssamehopdistanceIfnotsufficient,usefurtherawayneighborsSourceDesti-

nationForwarderPacketcontainsSource&destinationForwarderidentitySourcepacketerrorrateNumberofpathseachneighborshouldconstruct圖ReInform所需傳送概率為70%時數(shù)據(jù)轉發(fā)舉例。(A)圖是源節(jié)點在鏈路差錯率為0時傳遞1個數(shù)據(jù)包；(B)圖是源節(jié)點在鏈路差錯率為0時傳遞10個數(shù)據(jù)包；(C)是源節(jié)點在鏈路差錯率為30%時傳遞1個數(shù)據(jù)包(D)是源節(jié)點在鏈路差錯率為30%時發(fā)送10個單分組

圖洪泛、單路徑轉發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多路徑轉發(fā)在鏈路出錯率增加時所能保證的可靠性比較

圖洪泛、單路徑轉發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多路徑轉發(fā)在鏈路出錯率增加時為保證可靠性所引發(fā)的開銷

OverviewDependabilityrequirementsDeliveringsinglepacketsDeliveringblocksofpacketsOpportunity:CachinginintermediatenodesExample:PumpSlowly,FetchQuickly(PSFQ)Example:ReliableMultisegmentTransport(RMST)Deliveringstreamsofpackets數(shù)據(jù)塊傳輸無線傳感器網(wǎng)絡中，有時需要傳輸大量的數(shù)據(jù)。比如在傳送圖像、聲音等數(shù)據(jù)時，或者當網(wǎng)絡需要重新配置，基站將新的代碼發(fā)送至節(jié)點。相對于單數(shù)據(jù)包的可靠性傳輸，保證數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)目煽啃詸C制有很大的不同。數(shù)據(jù)塊傳輸Goal:DeliverlargeamountsofdataE.g.,codeupdate,largeobservationsSplitdataintoseveralpackets(reducepacketerrorrate)TransferthisblockofpacketsMaindifferencetosinglepacketdelivery:GapsinsequencenumbercanbedetectedandexploitedForexample,byintermediatenodessendingNACKs132Where

is

packet2?2?ToanswerNACKlocally,intermediatenodesmustcachepacketsWhichpackets?Forhowlong?數(shù)據(jù)塊傳輸在無線傳感器網(wǎng)絡中，無線鏈路不穩(wěn)定及易受干擾的特點是造成網(wǎng)絡傳輸不可靠的主要原因.除了在物理層實現(xiàn)高效的糾錯碼之外，如何在MAC層、傳輸層以及應用層提供可靠性是實現(xiàn)可靠傳輸?shù)闹匾ＷC。在MAC層實現(xiàn)可靠性保證的重要性體現(xiàn)在，它除了能為傳輸層提供跳段之間的錯誤恢復之外，還是實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)及維持的保證。

數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST每跳鏈路出錯率為10%，數(shù)據(jù)傳輸40跳時，傳輸成功概率數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST數(shù)據(jù)傳輸6跳時，傳輸成功概率比較

數(shù)據(jù)塊傳輸802.11中提供了數(shù)據(jù)包分片與重組的方法，但是并沒有提供傳輸可靠性保證。而傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡中的傳輸層TCP協(xié)議提供的傳輸可靠保證主要是為解決網(wǎng)絡擁塞問題而提出的，并不適用于無線網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)塊傳輸端到端選擇請求NACK是當基站節(jié)點發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)包有丟失或損壞時，沿著基站到源節(jié)點的反向增強路徑發(fā)送重傳請求。當重傳請求到達源節(jié)點后，源節(jié)點將重傳所需數(shù)據(jù)。端到端選擇請求NACK方法只需在基站和源節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，中間節(jié)點無需緩存數(shù)據(jù)。跳段選擇請求NACK方法是在路由路徑上的每個節(jié)點都緩存數(shù)據(jù)，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包丟或損壞時直接向其上一跳節(jié)點發(fā)送重傳請求。Example:PumpSlowlyFetchQuickly(PSFQ)Goal:Distributeblockofpacketstofromonesendertomultiplereceivers(sinktosensors)E.g.,codeupdate!lossesarenottolerable,delaynotcriticalRoutingstructureisassumedtobeknownPSFQ（PumpSlowly,FetchQuickly）為無線傳感器網(wǎng)絡的重編程或重新指定任務提供了可靠傳輸，并提供了到接收端延遲保證。源節(jié)點低速向網(wǎng)絡注入數(shù)據(jù)包以避免網(wǎng)絡擁塞，接收節(jié)點有足夠的時間來檢測這些數(shù)據(jù)包是否丟失，假如發(fā)生丟失就請求重傳。當節(jié)點收到的包序號不等于上一個包序號加1，那么就認為有包丟失。這個節(jié)點在收到正確的包之前停止繼續(xù)發(fā)送包。可靠性協(xié)議傳輸層----

從匯聚節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸

PSFQ重傳機制

OverviewDependabilityrequirementsDeliveringsinglepacketsDeliveringblocksofpacketsDeliveringstreamsofpacketsAdditionalopportunity:ControlrateControlrateofindividualnodes:ESRTControlnumberofactivenodes:GurgameStreamsofpacketsmayleadtocongestionWhenseveralsensorsobserveaneventandtrytoperiodicallyreportit,congestionaroundeventmaysetitWhenmanysensorsstreamdatatoasink,congestionaroundthesinkmayoccur擁塞控制無線傳感器網(wǎng)絡大部分時間都處于零負載或輕負載，只有在異常事件發(fā)生時，網(wǎng)絡中才會突發(fā)性的產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)量。這些數(shù)據(jù)非常重要，需要在不影響系統(tǒng)性能的前提下可靠的傳送給基站。但是這種突發(fā)性的大數(shù)據(jù)量傳輸很容易導網(wǎng)絡不同程度擁塞的發(fā)生。網(wǎng)絡吞吐量隨源速率的增加而減小.節(jié)點數(shù)量越大，實際吞吐量減少的越大.

擁塞檢測和避免（CODA）擁塞控制方案擁塞場景:節(jié)點密集分布的網(wǎng)絡中，當有異常事件發(fā)生時，源節(jié)點會突發(fā)性產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。在源節(jié)點附近(幾跳范圍內)形成持續(xù)擁塞區(qū)域。(2)在節(jié)點分布稀疏并且源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率較低的網(wǎng)絡中，不會在源節(jié)點附近產(chǎn)生持續(xù)的擁塞，而可能在遠離源節(jié)點的網(wǎng)絡區(qū)域中任意位置產(chǎn)生短暫的擁塞。(3)在節(jié)點分布稀疏并且源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率較高的網(wǎng)絡中，有可能在網(wǎng)絡區(qū)域的任意位置發(fā)生短暫或持續(xù)的擁塞。

CODA擁塞控制方案1.基于接收者的擁塞檢測；2.開環(huán)跳段反向壓力信標機制(open-loophop-by-hopbackpressure)；3.閉環(huán)多源調整機制(closed-loopmulti-sourceregulation)。

CODA擁塞控制方案--擁塞檢測CODA將節(jié)點