无线传感器网络中基于网络编码缓冲策略的丢包恢复研究

摘要

当前，随着微机电系统、传感器技术、无线通信与现代网络等技术的不断进步，无线传感器网络得到了极大发展，被广泛应用于军事、环境、医疗、家居等多个领域。无线传感器网络是由部署在特定监测区域内的大量传感器节点以无线通信的方式形成的多跳自组织网络。其任务是感知、采集并处理网络覆盖区域内指定对象的信息，并发送给用户。组成网络的传感器节点通常只具有有限的存储空间、有限的计算处理能力以及不可再生的能量储备，其能量主要消耗在无线通信上。如何更有效地使用节点能量以最大化网络生命周期一直是无线传感器网络面临的首要挑战。
　　 网络编码是2000年提出的一种新的数据传输方式。与传统的存储转发方式相比，其允许网络中间节点对收到的数据进行编码之后再转发。只要接收节点收到足量的编码数据，就能通过相应的解码操作恢复原数据。网络编码可以显著改善网络性能，如增大网络吞吐量、减少网络时延、均衡网络负载、改进数据传输可靠性等。无线网络由于其物理层的广播特性和链路的不可靠性，成为了网络编码应用最广泛的领域。相关研究表明，在无线传感器网络中应用网络编码，可以保证数据传输的可靠性，减少能耗。
　　 本文研究了无线传感器网络中基于网络编码的可靠数据传输的相关问题，主要研究内容和贡献如下：
　　 1.本文提出了一种基于网络编码的缓冲策略，以有效利用无线传感器网络节点的缓冲空间，减少丢包恢复所需的重传次数。在无线传感器网络的多播应用中，给定各接收节点的集合，可利用中间节点缓冲区和源节点存储的数据包，进行逐跳丢包恢复。但无线传感器网络节点的存储空间一般较小，且中间节点同时需要分配一定的存储空间以执行其他任务，使得可用于数据恢复的存储资源有限。本文将网络编码理论应用于中间节点的缓冲机制。中间节点将已发送的原始数据进行网络编码，存储在缓冲区中，在需要时重传编码包对丢包节点进行数据恢复。基于网络编码的缓冲机制削弱了数据恢复对缓冲空间大小的依赖，而且可以有效地减少丢包重传次数。
　　 2.本文以最小化丢包恢复所需的重传次数为目标，提出了基于网络编码缓冲策略的逐跳ARQ恢复机制。在无线传感器网络中，当对传感器节点进行软件更新时，必须确保更新数据的可靠传输。但无线传感器网络的链路不稳定会造成数据包丢失，并使得丢包恢复的重传工作成为网络耗能增大的主要原因。因此，减少无线传感器网络丢包恢复所需的重传次数是提高网络能效、延长网络寿命的最有效途径。本文在无线传感器网络节点缓冲空间有限的前提下，提出了基于网络编码缓冲策略的逐跳ARQ恢复机制，并分别给出了该机制和基于传统FIFO缓冲策略的逐跳ARQ恢复机制的数学模型，分析比较了两种机制下实现丢包恢复所需的期望重传次数。
　　 3.本文在数学分析的基础上进行了数值试验。本文以期望重传次数和期望重传次数减少比率RERR为性能评价标准，设置了不同的丢包率、缓冲大小以及子节点数，分析比较了本文提出的基于网络编码缓冲策略与基于传统FIFO缓冲策略的逐跳ARQ恢复机制的性能差异。实验结果表明，利用网络编码能够显著减少无线传感器网络多播应用中丢失数据包的期望重传次数，从而减少丢包恢复所需的能量开销。
　　 4.本文系统研究了无线传感器网络中的可靠数据传输问题，提出了基于网络编码缓冲策略的逐跳ARQ恢复机制，并将该机制与基于传统FIFO缓冲策略的逐跳ARQ恢复机制进行了全面的比较。在此基础上，进一步阐述了将来的研究工作。