高端端到端可靠性是那些具有關(guān)鍵監(jiān)控和驅(qū)動要求的人所要求的質(zhì)量。迄今為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）用戶通常認(rèn)為次優(yōu)可靠性是無線技術(shù)固有的。我們描述了一個集中監(jiān)控TDMA網(wǎng)絡(luò)，其策略選擇以最大化接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量，同時保持低功耗特性。介紹了檢測和診斷數(shù)據(jù)包丟失的方法以及其相對影響的預(yù)期邊界。該診斷允許對所有已知的損失機(jī)制進(jìn)行編目，并分析以50.99%穩(wěn)態(tài)端到端可靠性運(yùn)行的99節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的損失。

介紹

無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是一種 WSN，其中數(shù)據(jù)在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上定期生成，并通過稱為管理器的單個節(jié)點(diǎn)上的多跳傳輸收集。知道節(jié)點(diǎn)數(shù)和生成速率可以計(jì)算預(yù)期的數(shù)據(jù)包數(shù)：讓可靠性是一個無單位的數(shù)量，描述管理器接收的唯一數(shù)據(jù)包數(shù)除以應(yīng)接收的唯一數(shù)據(jù)包數(shù)。WSN的學(xué)術(shù)研究旨在提供最佳解決方案：最低能源成本，最低延遲或最高帶寬。雖然這些元素對工業(yè)和商業(yè)WSN用戶很重要，但他們主要關(guān)心的通常是網(wǎng)絡(luò)中生成的數(shù)據(jù)包應(yīng)該在集中式數(shù)據(jù)存儲庫中可靠地接收并可用于分析。網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)際壓力通常不會那么高：例如，一個 50 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)每分鐘使用 10.76 kbps 無線電收發(fā)器生成 8 字節(jié)的數(shù)據(jù)有效載荷。此網(wǎng)絡(luò)使用的原始可用帶寬不到管理器的 0.1%。許多研究人員回避研究這些微不足道的要求也就不足為奇了。但是，即使在大量預(yù)配的方案中，也很難滿足嚴(yán)格的可靠性要求。所介紹的時間同步協(xié)議提供了一種高可靠性的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，該解決方案還支持低功耗路由和高可用帶寬。激勵目標(biāo)不一定是獲得完美的可靠性，而是了解每個丟失數(shù)據(jù)包的原因并能夠綁定每個丟失機(jī)制。

在歷史有線域中安裝 WSN5將低可靠性確定為采用該技術(shù)的主要風(fēng)險(xiǎn)之一?？煽啃灾笜?biāo)通常在處理WSN部署的系統(tǒng)論文中討論，但很少是主要關(guān)注點(diǎn)。ExScal等項(xiàng)目2不斷擴(kuò)展 WSN 大小和整體性能的限制。這項(xiàng)特殊的工作引用了86%的端到端可靠性，并暗示缺乏關(guān)于困擾可靠運(yùn)行的故障和可變性的公開數(shù)據(jù)。另一個自稱“工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)”的項(xiàng)目7評論可靠性的重要性，但指出實(shí)驗(yàn)中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)報(bào)告了超過80%的數(shù)據(jù)，表明整體可靠性遠(yuǎn)未接近100%的范圍。很明顯，這些作者認(rèn)識到可靠性在商業(yè)應(yīng)用中的重要性，但同樣清楚的是，單個數(shù)據(jù)包的丟失并不是最重要的問題。一個揭示性的情節(jié)3顯示了節(jié)點(diǎn)編號/生命周期空間中已發(fā)布網(wǎng)絡(luò)的跨度，但沒有直接評論這些網(wǎng)絡(luò)的可靠性。到目前為止，網(wǎng)絡(luò)在給定的時間跨度內(nèi)保持運(yùn)行就足夠了，并不是說網(wǎng)絡(luò)一定能夠在這段時間內(nèi)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)包交付。工作的含義4它試圖使用網(wǎng)絡(luò)來檢測“罕見，隨機(jī)和短暫的事件”，即網(wǎng)絡(luò)必須準(zhǔn)備好感知消失的微小時間和空間區(qū)域。這一原則的延續(xù)表明，由于如此簡短但重要的事件而生成的單個數(shù)據(jù)包應(yīng)保持相同的高標(biāo)準(zhǔn)。

最近的新平臺和系統(tǒng)6,8專注于從第一原則重新設(shè)計(jì) WSN，但沒有提供近乎完美的可靠性的明確目標(biāo)。對更廣泛的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的調(diào)查1僅簡要提到了可靠性的主題，這表明即使在傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域之外，無線多跳也沒有專注于這一目標(biāo)。

無線網(wǎng)絡(luò)

眾所周知，無線信道隨時間和空間而變化。為了克服這一挑戰(zhàn)，我們使用多種技術(shù)和策略來最大限度地提高可靠性：

TDMA 調(diào)度以確保足夠的帶寬

網(wǎng)狀拓?fù)涮峁┤哂嗦酚?/p>

刪除消息前所需的 ACK

跳頻以避免阻塞通道

優(yōu)化拓?fù)湟赃x擇更好的路線

高功率模式可恢復(fù)斷開連接的節(jié)點(diǎn)

一致使用可靠性診斷

該網(wǎng)絡(luò)由無線節(jié)點(diǎn)和選定節(jié)點(diǎn)對之間的重復(fù)定向TDMA通信插槽組成。每個這樣的節(jié)點(diǎn)對定義一個路徑，并且可以由一個TDMA超幀中的一個或多個插槽組成。每次傳輸和接收都經(jīng)過安排，因此網(wǎng)絡(luò)流量不會發(fā)生沖突。此選擇考慮了低功耗，但它也允許比基于爭用的協(xié)議更好的擁塞可靠性。在 TDMA 計(jì)劃中為每個節(jié)點(diǎn)分配足夠數(shù)量的插槽，以滿足自身和后代預(yù)期的最大帶寬需求。這里需要“監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)”假設(shè)：很難充分配置具有未知流量需求的網(wǎng)絡(luò)。TDMA網(wǎng)絡(luò)需要嚴(yán)格的時間同步，這帶來了一系列挑戰(zhàn)。

通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，使管理器沒有父級，并且路徑集合生成的二合字母中不允許循環(huán)，流量向上流向管理器。隨著每個節(jié)點(diǎn)尋找兩個父節(jié)點(diǎn)，生成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最大限度地減少了由于單路徑故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失。管理器-節(jié)點(diǎn)控制通信是通過沿相反方向的相同路徑的廣播泛洪來實(shí)現(xiàn)的。TDMA協(xié)議的細(xì)節(jié)對于本次討論并不重要;重要的是安排足夠的帶寬，以盡量減少意外擁塞或來自外部來源的干擾的影響。高可靠性網(wǎng)絡(luò)在帶寬方面過度配置，唯一的代價是額外的空閑偵聽槽。這允許隊(duì)列在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)操作中保持空。在發(fā)射端，僅當(dāng)有數(shù)據(jù)包等待發(fā)送時，才會激活無線電，因此空閑插槽沒有能源成本。但是，在傳輸?shù)那闆r下，接收器必須始終在插槽開始時偵聽一小段時間，因此分配的帶寬越多，消耗的能量就越多。由于一些流量沿著次優(yōu)路由傳輸?shù)焦芾砥?，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可能會支付前期延遲和能量損失，但這些成本可確保不可避免的路徑穩(wěn)定性變化導(dǎo)致連接損失很少。

我們的網(wǎng)絡(luò)范式是，一旦生成數(shù)據(jù)包，就永遠(yuǎn)不應(yīng)該丟棄它，而應(yīng)該逐節(jié)點(diǎn)拓?fù)涞貍鬟f到更接近管理器的位置。管理器是一個中央數(shù)據(jù)存儲庫，所有數(shù)據(jù)包都路由到該存儲庫，并且通常連接到用戶可訪問的數(shù)據(jù)庫。多跳傳播是通過一系列握手完成的：在收到來自父級的 ACK 之前，不會從子級中刪除數(shù)據(jù)包。這要求每個節(jié)點(diǎn)上都有一個大小合理的數(shù)據(jù)包隊(duì)列。當(dāng)隊(duì)列填滿時，節(jié)點(diǎn)無法再存儲新生成的本地?cái)?shù)據(jù)，并開始丟失這些數(shù)據(jù)包。在這種情況下，完整隊(duì)列不會導(dǎo)致外部數(shù)據(jù)包丟失，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)會從其子節(jié)點(diǎn)接收來自其子級的消息。

為了克服可能對可靠性產(chǎn)生不利影響的本地窄帶干擾，我們的網(wǎng)絡(luò)在空間和時間上將通信傳播到多個通道上。傳輸在 50MHz 頻段跳躍超過 900 個通道，在 16.2GHz 頻段中跳躍超過 4 個通道。如果一個或某些信道存在干擾，則在隨后嘗試使用其他信道時，傳輸仍可成功。同樣，帶寬的過度配置允許網(wǎng)絡(luò)即使在信道阻塞的情況下也能保持高可靠性。跳頻會導(dǎo)致更長的加入時間，因?yàn)樾鹿?jié)點(diǎn)必須掃描多個信道才能找到其對等節(jié)點(diǎn)，但動態(tài)無線電環(huán)境中的長期可靠性有利于多信道策略。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有助于在網(wǎng)絡(luò)形成和運(yùn)行過程中進(jìn)行路徑優(yōu)化。管理器不斷尋找重定向網(wǎng)絡(luò)圖的方法，以確?？煽啃宰畲蠡?。優(yōu)化評分基于路徑質(zhì)量（經(jīng)驗(yàn)測量或 RSSI）、管理器的躍點(diǎn)數(shù)和父級的生存期。這使我們能夠持續(xù)確保網(wǎng)絡(luò)使用最佳可用路由來存儲數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)可以在低功耗或高功率模式下運(yùn)行。在網(wǎng)絡(luò)形成期間和連接斷開后，網(wǎng)絡(luò)會自動切換到高功率模式，以方便和加快節(jié)點(diǎn)加入。網(wǎng)絡(luò)外部節(jié)點(diǎn)花費(fèi)的時間是數(shù)據(jù)包丟失的時間;為了盡量減少丟失的數(shù)據(jù)包，需要花費(fèi)更多精力來盡快恢復(fù)丟失的節(jié)點(diǎn)。

最后，正如下一節(jié)將詳細(xì)描述的那樣，我們始終采用幾種獨(dú)立的診斷方法來跟蹤丟失的數(shù)據(jù)包。隨著可靠性水平的提高，丟失的數(shù)據(jù)包變得更加難以跟蹤，并且在短時間實(shí)驗(yàn)中無法跟蹤特別罕見的事件。因此，在所有運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)上使用診斷工具提供了發(fā)現(xiàn)所有丟失機(jī)制的最大機(jī)會。

識別丟失的數(shù)據(jù)包

在我們的網(wǎng)絡(luò)中，通過比較兩個獨(dú)立的數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)來識別丟失的數(shù)據(jù)包：來自每個節(jié)點(diǎn)的定期診斷數(shù)據(jù)包和管理器接收的唯一數(shù)據(jù)包列表。診斷數(shù)據(jù)包通知管理器在最近的收集間隔內(nèi)源自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)，以及由于消息緩沖區(qū)已滿而丟棄的本地生成的數(shù)據(jù)包數(shù)。目標(biāo)是能夠一致地跟蹤丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量以及每次丟失的原因。除了這些方法之外，我們還使用直接有線和無線節(jié)點(diǎn)查詢、網(wǎng)絡(luò)模擬和節(jié)點(diǎn)仿真來確定數(shù)據(jù)包丟失的來源。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)操作期間可用的數(shù)據(jù)，我們可以將任何丟失的數(shù)據(jù)包分為以下幾類：

擁塞

設(shè)備重置

設(shè)備故障

CRC腐敗

會計(jì)差錯

未知

擁塞丟失由診斷數(shù)據(jù)包中的節(jié)點(diǎn)直接報(bào)告，因此最容易跟蹤。但是，持續(xù)的擁塞會導(dǎo)致診斷數(shù)據(jù)包被中止以阻止進(jìn)一步的丟失，因此當(dāng)節(jié)點(diǎn) n 的診斷數(shù)據(jù)包未到達(dá)的時間間隔內(nèi)，節(jié)點(diǎn) n 的管理器報(bào)告為丟失的數(shù)據(jù)包被假定為擁塞丟失。節(jié)點(diǎn) n 只能由于擁塞而丟失自己的消息;節(jié)點(diǎn)在其消息緩沖區(qū)已滿時 NACK 子節(jié)點(diǎn)。這不會改變進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的每個數(shù)據(jù)包都保持安全的概念，而是顯示了如何防止某些預(yù)期的數(shù)據(jù)包進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

圖1.顯示測試部署中的子父關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)圖。

節(jié)點(diǎn)在失去與所有父節(jié)點(diǎn)的連接時會重置其軟件。這會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)丟失其隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)包，其中可能包括來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。管理中心通過節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)生成的警報(bào)數(shù)據(jù)包以及節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)的請求來檢測重置事件。在已知節(jié)點(diǎn)已脫離網(wǎng)絡(luò)的時間間隔內(nèi)丟失的數(shù)據(jù)包被假定為由于此重置節(jié)點(diǎn)造成的，無論其初始來源如何。同樣，需要一些維護(hù)（例如更換電池）的設(shè)備故障最初可能導(dǎo)致來自多個來源的丟失，但隨著時間的推移，只有來自故障節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包會丟失。

所有消息都附加一個 16 位 CRC，以確保鏈路級完整性。但是，對于較長的數(shù)據(jù)包，此 CRC 不是唯一的，某些錯誤組合可能導(dǎo)致錯誤百出的數(shù)據(jù)包與無錯誤數(shù)據(jù)包具有相同的 CRC。但是，使用另一個端到端加密 MIC，因此在解密時會在管理器上檢測到錯誤（但無法糾正）。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)了會計(jì)錯誤的幾個迭代，并且不能保證沒有保留。我們假設(shè)數(shù)據(jù)包在管理器報(bào)告之前丟失，因此所有錯誤都是誤報(bào)丟失。盡管如此，仍然無法區(qū)分會計(jì)錯誤和丟失的數(shù)據(jù)包，因此必須始終假設(shè)最壞的情況。最大的麻煩來自數(shù)據(jù)包序列，這些數(shù)據(jù)包順序嚴(yán)重混亂，跨越不同的 15 分鐘間隔。在本研究中，保留了所有傳入消息的獨(dú)立跟蹤，以確定自動分析中是否存在任何會計(jì)錯誤。

一年前，這份損失機(jī)制清單大不相同。有些問題解決了，有些問題被發(fā)現(xiàn)了。隨著可靠性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量水平的不斷提高，將揭示更多隱蔽和隱蔽的損失。當(dāng) 10-6 水平損失普遍存在時，在 10-3 水平上考慮的因素是不可見的。同樣，這強(qiáng)調(diào)了能夠解釋已知丟失類型的每個丟失數(shù)據(jù)包的必要性。正如下一節(jié)將看到的，測試網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包丟失的當(dāng)前主要形式是通過未識別的機(jī)制。我們推測這是由于對同一無線電空間中其他不同步網(wǎng)絡(luò)的邏輯干擾。

圖2.網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)的日?？煽啃?。

案例研究：50 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

作為可達(dá)到的可靠性水平的一個例子，在我們的辦公樓內(nèi)和周圍部署了一個 50 節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)放置在我們工作空間內(nèi)和屋頂頂部的兩個垂直水平上。該網(wǎng)絡(luò)旨在以非常高的可靠性運(yùn)行，同時具有較低的節(jié)點(diǎn)間通道穩(wěn)定性;為每個節(jié)點(diǎn)選擇 1 分鐘報(bào)告速率，以最大程度地減少數(shù)據(jù)包因擁塞而丟失的可能性。該網(wǎng)絡(luò)每天生成 72，000 個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包平均通過 2.0 個躍點(diǎn)進(jìn)行無線傳輸。距離管理器最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)平均每個數(shù)據(jù)包 3.6 個躍點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)正在運(yùn)行 199 個插槽（6.2 秒）的 TDMA 超幀。網(wǎng)絡(luò)二合圖如圖1所示。在運(yùn)行的第一天，可靠性為99.86%，但觀察到整整一周至少99.99%的可靠性。無需人工干預(yù)的 17 天的可靠性數(shù)據(jù)如圖 2 所示。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)位于不同的垂直平面上時，平均路徑穩(wěn)定性相當(dāng)?shù)?，?60%，這意味著十分之四的傳輸嘗試失敗并重試。選擇低路徑穩(wěn)定性是為了鼓勵所有可能的誤差類別在網(wǎng)絡(luò)中顯現(xiàn)出來。所有節(jié)點(diǎn)都是相同的 - 沒有一個被區(qū)分為“路由器”節(jié)點(diǎn) - 并且都使用相同的AA電池運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)一對 AA 電池的最短節(jié)點(diǎn)壽命為 13 個月。網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)的平均數(shù)據(jù)包延遲為 3.9 秒。該網(wǎng)絡(luò)在下雨期間運(yùn)行，屋頂節(jié)點(diǎn)測量的地表溫度已超過70攝氏度。

表 1 總結(jié)了截至撰寫本文之日所有丟失數(shù)據(jù)包的性質(zhì)。丟失的數(shù)據(jù)包總數(shù)為 367 個，已收到 1 萬個唯一數(shù)據(jù)包。

圖3.網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)每日數(shù)據(jù)包丟失的機(jī)制。

圖3顯示了對損失機(jī)制的進(jìn)一步基于日期的分析。在最近一周的運(yùn)行中，沒有數(shù)據(jù)包因節(jié)點(diǎn)重置或擁塞而丟失。這是由于網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的優(yōu)化例程 - 拓?fù)湟呀?jīng)過優(yōu)化，通過確保使用的所有路徑都具有足夠高的穩(wěn)定性以確?？煽窟\(yùn)行，幾乎消除了數(shù)據(jù)包丟失的這些組件。在所有這些過程中，會創(chuàng)建單個路徑并失敗，但由于網(wǎng)狀架構(gòu)，這不一定會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。

大多數(shù)節(jié)點(diǎn)重置事件發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)形成和優(yōu)化過程中;預(yù)計(jì)在穩(wěn)態(tài)操作期間，這些損失的頻率將大大降低。未知和CRC故障的數(shù)量應(yīng)該繼續(xù)以目前的速度進(jìn)行，我們預(yù)計(jì)網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)以99.99%的可靠性報(bào)告數(shù)據(jù)，至少在未來13個月內(nèi)。

結(jié)論和今后的工作

擬議的基于TDMA的WSN策略允許低功耗50節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)以99.99%的穩(wěn)定可靠性水平運(yùn)行，而無需人工干預(yù)。這種可靠性水平是通過圍繞將每個數(shù)據(jù)包交付給集中式管理器的目標(biāo)對整個系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。對協(xié)議的更改可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟失低于 10-4 個數(shù)據(jù)包，包括在加入期間，方法是在重置期間保留隊(duì)列內(nèi)容并增加隊(duì)列長度以消除擁塞損失。

展望未來，目標(biāo)是確定來源并減少未知損失的數(shù)量。這些誤差的大小足夠高，以至于CRC類型的誤差相對來說很少受到關(guān)注。進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)將通過更廣泛地使用有線連接直接監(jiān)控單個節(jié)點(diǎn)對來實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)任何節(jié)點(diǎn)故障，但這種可靠性水平要求故障是可預(yù)測的（例如通過電池監(jiān)控）或極其罕見。在 99.9% 的可靠性水平下，我們可以承受大約 1/10000 的故障停機(jī)時間。如果每次故障更換需要一天時間，我們需要設(shè)備故障發(fā)生的頻率低于每 27 年一次。

雖然測試網(wǎng)絡(luò)僅由 50 個節(jié)點(diǎn)組成，但該協(xié)議可擴(kuò)展到更大的網(wǎng)絡(luò)，并且具有類似的每個節(jié)點(diǎn)的可靠性。對于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，必須相應(yīng)地調(diào)整報(bào)告速率，以確保擁塞級別不會增加，但協(xié)議沒有根本性的變化。在修復(fù)一些錯誤之前，我們已經(jīng)運(yùn)行了 250 個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)時間超過 99 個月，可靠性為 ><>%。如果節(jié)點(diǎn)可以保持在同一級別連接，則操作的其余部分是相同的，并且應(yīng)該導(dǎo)致相同的損失分?jǐn)?shù)。

審核編輯：郭婷