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无线传感器网络跨层通信协议的设计

时间:2008-6-16 14:10:00  作者:  来源:ic72  浏览人数:49202
 
 

      在矿井环境监测中需要对矿井风速、矿尘、温度、湿度等参数进行检测[1],通过实时监测这些参数的变化,煤矿管理人员可以采取不同的技术措施。现有的检测系统需要在矿井内设通信线路,随着矿井开采深度增加,对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求,一旦通信链路发生故障,整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题,可以使用无线传感器网络进行矿井环境的监测,相比传统监测系统具有很多优势 [2]。现有传感器网络通信协议一般设计为分层结构[3],这种这种使各层相对简单,层与层间独立性强,有利于不同体系的网络互连互通。然而相对于有线网络,矿井下无线网络有其自身特点 [4] ,井下环境恶劣,其无线环境有很多不确定因素,分层设计方法无法保证传输数据的Qos需求。为了改善无线传感器网络的性能,MAC协议、路由协议和传输协议,甚至应用层必须与物理层进行有效的状态信息交互,以适应物理层的特性变化,所以我们提出对无线传感器网络通信协议进行跨层设计。

      1     无线传感器网络通信协议对跨层设计的需求

      1.1    物理层对跨层的需求

      物理层主要向MAC层协议、路由协议、传输层协议等提供本层的状态参数,如信噪比(SNR)、误码率(BER)和数据传输速率等,作为其他协议层优化设计的依据[5]。其发射功率及传输速率影响了 MAC 层的接入控制及网络层的路由选择。

      1.2    MAC层对跨层的需求

      MAC 层主要负责无线信道的划分及分配,它影响了网络层的路由选择。不同应用背景Qos保证机制的提出,对于MAC层需要区分具体业务的类型,采取具有优先级的调度机制,这种机制必须依据其上协议层的Qos需求信息和物理层的信道状态信

      1.3    网络层对跨层的需求

      网络层通过选择路由把分组传送到信宿,影响着 MAC层的 QoS 及物理层的性能参数。现有无线多跳网络路由协议大都采用最短路径准则设计,没有考虑下层物理层信道特性的变化对MAC层接入性能的影响等因素,造成所选路径无法适应低层性能的变化。

      1.4    传输层对跨层的需求

      在无线传感器网络中,节点的移动可能导致通信链路的中断,从而导致数据包丢失。按传统的TCP机制,这将判决为因TCP拥塞导致的结果,从而频繁触发TCP超时重传机制,导致TCP性能下降。这在分层协议设计的原则下是不可避免的,因为TCP协议层无法判定数据包丢失的真正原因。

      1.5    应用层对跨层的需求

      无线传感器网络是一种应用相关的网络,不同的的应用有不同的Qos需求,像矿井监测系统就对监测数据的实时性和可靠性有较高的需求。这种Qos保证机制就涉及到所有通信协议层。

      2     跨层设计的原理

      2.1    跨层设计

      跨层设计 [4]就是使任意两层之间能够互相提供和利用有用信息,实现自适应机制,使网络各层共享与其它层相关的信息,对无线网络进行整体设计。它并不是完全否定了传统无线网络的五层模式,而是用综合的方法来适应网络的动态性,每层应对本层的变化和其他层反馈的信息做出合理反应,将分散在网络各个子层的特性参数协调融合。因此,所有层间可以交互信息,使得协议栈能够以全局的方式适应特定应用所需的QoS保证和网络状况的变化,并根据系统的约束条件和网络特征来进行综合优化,实现对网络资源的有效分配,提高网络的综合性能。 

      2.2   现有跨层模型比较

      现有跨层模型有数据报报头信息机制、ICMP报文机制、本地特性信息机制、MobileMan跨层方案、WCI服务器机制、CLASS(Cross一LayerSignalling Shotrcuts)方案。其优缺点可以通过表1所示:

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      表1跨层模型比较

      3     跨层通信协议设计

      3.1    跨层通信协议体系结构设计

      由于跨层设计必须遵循的一个原则是依据一种可靠的、可长期利用的参考模型。又由于无线传感器网络中节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限,每个节点只能获取局部网络的拓扑信息,就决定了其上运行的网络协议不能太复杂。所以我们在设计无线传感器网络通信协议时,考虑到以下几个方面:(1)对原有通信协议栈的影响尽可能小;(2)开销尽可能小;(3)针对不同应用的Qos需求,使用不同的优化尺度。设计跨层通信协议模型如图1所示:协调管理器实时地采集应用层的Qos需求信息并计算出Qos参数,根据Qos参数调整其他各层的相关状态,并将这些状态变量放到状态信息库中。其他各层通过共享状态信息库中的信息,进行自适应调整,同时为应用层提供相应的参数变化。

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      图1跨层通信协议模型

      3.1.1      分层的网络通信协议

      由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道的选择、无线信号的监测、发送与接收等;数据链路层的主要功能是加强物理层传输原始比特的功能,使之对网络显现为一条无错链路;网络层的的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等;传输层负责数据流的传输控制,提供可靠的、开销合理的数据传输服务;应用层主要给用户提供一个接口,不同的应用有相异的应用协议。

      3.1.2      Qos参数

      由于无线传感器网络是一种应用相关的网络,不同的应用环境,其终端用户所承载的业务类型、业务流量、优先级等不同,而其Qos参数,如时延抖动、丢包率、吞吐率、传输时延、误码率等也不同。Qos保证涉及到所有协议层,即每个协议层相应参数的设置都涉及到Qos能否得到保证。一般来说应用层根据要实现的性能参数向相应的层次传递要实现的 QoS 要求。只要延迟和抖动足够小,实时业务允许较高的包丢失率或误码率,非实时业务则相反。各个层次接收到 QoS 要求信息后便进行相应的自适应调整。同时各层为应用层提供相应参数的变化,以实现应用层的自适应变化。为实现节约成本、能量或资源的目的,只要能够满足性能参数最小或最大值的要求,应用层可以在各个层间折衷考虑某一参数。

      3.1.3      协调管理器

      即在传统的分层协议结构之外设计一个逻辑上的独立实体,可以看作一段控制程序,它的主要功能包括:

      (1)根据应用层的Qos需求信息参数,定期在其它各个层间折中考虑某些因素进行计算,根据计算结果调整协调平面里的状态变量。比如说可以计算传输层的拥塞程度,网络层的路径信息和拓扑信息,数据链路层的业务队列信息,物理层的时间同步信息等,根据计算结果调整拥塞、路径等状态变量。

      (2)采集协调平面里的状态变量。比如传输层的端到端吞吐率和延时、链路层的节点吞吐率、物理层的剩余带宽等,反馈给其他所需要的协议层。

      3.1.4      状态信息库

      作为一个存储场所,存储整个网络各协议层收集到的信息,即会影响到其他各层的一些相关参数。比如说物理层的信号发射功率这样一个参数,它影响到物理层、链路层、网络层、传输层等层的性能以及系统的功耗。它的大小决定了接收端的信号质量,也就影响到了物理层的性能参数;它的大小也决定了信号的传输距离,也就影响到了网络层的路由选择;同时它的大小决定了它对其它接收机的干扰大小及网络的拥塞情况,也就影响了 MAC 层的接入控制及传输层的传输控制。

      3.2    在矿井监测系统中的应用设计

      将我们提出的跨层通信模型应用到矿井监测系统中,具体的Qos参数包括:时延抖动小、丢包率小、传输时延小、误码率低等。针对这些Qos需求,确定网络状态信息库包括:信噪比、误码率、发射功率、传输速率、信源可用带宽、分组延迟、前向纠错、媒介空闲/忙信息、传输时延、吞吐率、可靠性、路由信息、拥塞信息。协调管理器根据Qos参数,折中考虑某些因素进行计算,采集协调平面里的状态变量,反馈给其他层次,包括:减少响应数据量ACK pacing、SACK、Delayed-ACK、检测路由中断,进入“冻结状态”,停止发送数据、为数据流和响应流选择不同的路径减少信道竞争(仅适用于负载较小的网络、预测将要发生的路由改变,根据路由准则[6]提前选择备用路由、对TCP-ACK以及UDP采用无保障方式传输、误码率自动调整前向纠错能力等。

      4     小结

      无线传感器网络是一种自组织对等无线网络,这种网络通过降低数据吞吐量、增大消息延迟换取了比传统无线网络低的成本和功耗。为了满足成本、功耗、和性能方面的各种要求,必须合理地设计其通信协议。本文针对无线传感器网络的特殊需要,提出了跨层的通信协议模型,对该模型进行了具体的分析与设计,并针对矿井监测的具体环境,对其进行了设计,该模型能满足不同应用环境的需求。

 
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