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重新思考无线传感器网络中的多信道协议

1. 介绍

用于无线传感器网络的现代无线电，例如那些实现IEEE 802.15.4 PHY标准的无线电[5].可以在多个频段中运行。以前的工作能表明，这种能力可以用来增加无线传感器网络的吞吐量[16].减少网内干扰[9, 18].并减少外部干扰对无线传感器网络的影响[11].尽管有这些好处，但到目前为止提出的机制是在协议栈的不同的层来实现的，是不兼容的，对应用程序的特性做出假设，并且不能够同时支持多个应用程序的运行。

在本文中，我们认为现在是时候重新思考如何设计多通道协议，并就如何适应新兴的WSN架构达成共识。这样的协议将促进互操作性和代码重用，并且可能简化将受益于无线电信道多样性的应用的开发。另外的挑战是进行这种集成，同时对现有协议栈和应用程序原型的破坏最小。

我们假设多通道协议可以分解为两个不同的组件：负责将一个或多个频率信道分配给上层的信道分配（CA）组件和确定节点应该的时间间隔的信道同步（CS）组件。将其无线电切换到某个频道。网络级协议可以包括它们自己的CA组件，允许它们表达使用频率信道的特定方式。例如，实时网络协议可以通过将端到端网络路径上的所有节点切换到同一信道来减少由于信道切换而导致的数据传送延迟。另一方面，可在MAC层实现单个CS分量，其暴露相同的MAC层接口并且使用用于可使用多个的信号频率信道的最小接口来增强它。

我们描述了拟议组件的稻草人实现，并概述了如何根据这些线重新考虑现有的多信道协议。最后，我们展示了如何使用所提出的架构来在同一mote上同时运行的多个网络层协议之间虚拟化无线电。现代无线电上多个频率信道的可用性提供了一种提高网络性能的方法。然而，当前的多通道协议缺乏支持多种应用程序的架构一致性和灵活性。

2.背景

2.1 使用多个渠道的好处

我们根据使用多个频道的主要目的将多频道协议分为三类。提高网络吞吐量。吴等人。提出了TMCP多通道树收集协议并进行了观察随着可用信道数量从2增加到8，网络吞吐量翻了一番[16].张等人。提出了TMMAC MAC协议，并表明它在模拟网络中实现了标准802.11 DCF协议吞吐量的七倍，当有六个通道可用时，具有40个并发流[17]。

最大限度地减少网络内干扰。由于无线电是共享介质，因此同一广播域中的并发传输会导致冲突并可能导致数据包丢失。吴等人。提出的实证结果表明802.15.4无线电最多有8个正交信道11[16]. 周等人[18].和梁等人。[9].使用信道分集来减少冲突传输的数量。后者的工作还观察到，信道多样性促进了空间重用，并减少了全网传播的延迟。避免外部干扰。考虑到多个无线电标准在相同的未许可频段中运行（例如，802.11,802.15.4和802.15.1都在2.4GHz频段），信道分集是减轻并置网之间外部干扰的一种方法。WirelessHART标准提供了这种方法的一个例子[11].它采用TDMA协议，其中节点在每个时隙的开始处切换它们的射频。频率选择基于当前时隙索引和由两个通信节点共享的秘密信道偏移。

2.2 当前多通道协议的局限性

而在章节讨论2.1表明信道多样性可以提高性能，我们认为当前的方法缺乏支持不同应用需求的灵活性和通用性。

缺乏建筑一致性。基于开发和部署WSN应用程序的经验，无线传感器网络的架构开始出现[2，6，10]。然而，关于通道切换在架构中的位置以及它如何与协议栈的其余部分接口，尚未达成共识。现有的多信道协议主要在MAC级实现([7，17，18]).或集成到网络层协议([8，9，13，16]).反过来，这种缺乏协议会阻碍代码重用和协议互操作性。

限制性应用假设。现有的多信道协议通常假设简化的应用行为具有恒定流量速率的数据收集是最常见的。例如，Le等人。提出了一种针对收集和聚合流量模式进行优化的多信道MAC协议[7].但是，支持不断扩展的应用程序环境需要一个支持多种流量模式和QoS级别的多通道框架。

单片应用程序。经过十年的积极开发，许多WSN协议的开源实现都是公开的。此可用性已启用

开发组成多个网络协议以实现其逻辑的应用程序。例如，可以将数据收集协议与传播协议组合以实现具有动态重新分配的环境监控应用[12,14].但是，正如Choi等人。指出，运行多个协议的应用程序可能会遇到协议间冲突[1].例如，在同一节点上运行的两个协议可以独立地决定切换到两个不同的信道，从而导致其中一个协议的数据包丢失。相反，多通道协议应支持多个并发的上层协议并自动解决此类冲突（例如，通过在两个通道之间切换）。

3. 多渠道协议框架

部分2 认为我们需要一种将频率分集整合到WSN架构的一致方法。这样做需要解决三个挑战。首先，我们需要识别多通道协议所需的紧耦合功能并将其分组到可重用组件中。其次，我们应该以利用现有架构组件功能的方式构建和定位这些组件。最后，定义一组可用于实现不同网络协议和端到端应用程序的最小接口。

3.1 架构概述

我们建议将多信道协议分解为信道分配（CA）组件和信道同步（CS）组件。CA组件的目标是以优化特定于应用程序的指标（如网络吞吐量）的方式将一个或多个通道分配给网络节点。CS组件控制何时无线电应切换到每个CA选择的信道，以便节点可以相互通信。CS组件应根据数据传输指标（如延迟和能源使用情况）制定这些调度决策。

与在网络或MAC层实现多信道协议的现有工作相反，我们提出了一种跨层方法，将CA组件定位在网络层，将CS组件定位在MAC层。由于两个原因，我们允许每个网络协议实现自己的CA组件。首先，因为网络不同层协议具有不同的要求集，常见的CA组件不适合所有用例。其次，因为CA组件是协议的一部分，所以它可以访问协议的节点状态和协议对等体之间交换的信息。

另一方面，每个MAC协议有一个CS组件，它与网络层的所有CA组件进行交互。这种设计有两个优点。作为所有无线电控制和I/O请求的单一入口点，CS组件具有对无线电请求的可见性，以解决可能的协议间冲突。此外，CS组件可以利用MAC层功能向下一跳邻居传递消息。这些功能包括邻居状态维护和链路级确认。

将多通道协议分解为CA和CS组件类似于Internet中路由和转发平面的有分离；CA组件和路由平面做出网络范围的决策，而CS组件（类似于转发平面）实现将分组转发到下一跳所需的机制。

数字1说明了建议的CA和CS组件在WSN架构中的位置。以下部分描述了这些组件公开和使用的接口。

3.2 组件接口

MAC层为上层提供三种基本服务：传输数据包，接收数据包，以及打开和关闭无线电。CS组件最小程度地扩展了这个窄接口，允许上层利用多个无线电信道的优势。同时，CS组件的存在对于与多个无线电频率的可用性无关的传统协议是透明的。我们将新的CS接口划分为CA组件使用的接口(sect;3.2.1)以及网络层协议可用于改善其性能的那些(sect;3.2.2)。我们可以注意到虽然我们使用nesC来描述符合TinyOS的接口，它们并不特定于TinyOS。

3.2.1 CA组件的接口

频道预订。ChannelReservation接口提供两种服务。首先，CA组件可以发出numChannels（）命令来检索可用无线电信道的数量。其次，reserveChannel（）命令允许CA组件在本地节点上保留通道。由于CS组件拦截所有无线电控制请求，如果CA组件尝试切换到先前保留的信道，则该请求将失败并返回相应的错误代码。

接口通道保留{命令UIT88T Nu钱hansNe（）；

命令通道（UIT88T通道）；

}

渠道利用率。ChannelUtilMonitor接口报告通道的利用率。尽管接口使利用率的定义保持开放，但常见的选择包括打算使用特定信道的网络层协议的数量以及具有的数据包的数量。已在频道上发送和接收。接口要求getUtilization（）命令返回0到255之间的整数，分别对应最低和最高利用率。

接口信道监视器{

命令uint8_t getUtilization（uint8_t channel）;

}

3.2.2 网络层协议的接口

跳频序列。CS组件根据内部调度切换无线电信道，以处理跨不同信道的无线电发送/接收请求。FreqHoppingSeq接口允许网络层的协议在下次CS组件将无线电切换到特定信道时进行查询。此信息可用于设置协议超时值，尤其是因为多路复用无线电实质上会降低每个协议的有效带宽。

接口FrqHopPosiSeq

命令uint32_t nextTime（uint8_t channel）;

}

计时器。由于信道同步引入的延迟，现有的多信道机制通常遵循最终的传递服务模型。而且，它们不能为上层提供表达其分组传输请求的紧迫性的能力。例如，时间同步协议可以指示其定时信标需要紧急传输。

为了满足这些要求，CS组件为PacketTimers接口引入了设置每个数据包定时属性的命令。首先，我们从SP架构借用紧急位概念[10]. 紧急位通知CS组件无线电请求应该具有更高的优先级并且在其他之前处理。其次，我们允许上层为其数据包传输设置服务持续时间。当其中一个定时器触发时，MAC层应丢弃相应的传输请求，并向网络层发送正确的返回错误代码。

接口打包程序{

命令无效StuturtBIT（MeasaGeT**PKT）；命令void clrUrgentBit（message_t * pkt）;命令void setServiceDuration（message_t * pkt，

uint32_t超时）;命令uint32_t getServiceDuration（message_t * pkt）;

}

3.3 协议组成示例

接下来，我们将演示如何使用前面部分中提出的接口开发多通道协议。我们通过Typhoon这样做，这是一个网络范围的传播协议，它使用专用的控制通道来启动和协商用于后续数据传输的信道[9]。

在引导期间，CA组件使用ChannelReservation接口来保留专用控制信道并查询可用无线电信道的总数。台风节点然后广告的摘要他们拥有的对象。这些广告允许节点检测其本地邻域内的任何陈旧对象，并发起检索新版本对象的请求。

为了从邻居x检索对象，节点y通过在公共控制信道上发送请求消息来发起握手。然后，节点x查询其CA组件以获得用于数据传输的新信道。节点x上的CA组件可以通过查询ChannelUtilMonitor接口来选择随机信道或相对空闲的信道，以获得每个信道的利用率。节点x通过使用新的通道号响应y来完成握手。最后，两个节点都调用MAC层API（例如，TinyOS中的CC2420Config接口）以切换到用于数据传输的新信道。CS模块在暴露此接口时拦截这些请求（请参阅图1）。数据传输完成后，x和y返回控制通道。

1. 原型实现

我们现在描述ViR，一个通道同步组件的稻草人实现。虽然其他实现的是可能的，但我们使用ViR来展示所提出的架构如何支持具有不同射频使用模式的多个并发网络层协议。

4.1 基本协议

作为信道同步组件，ViR位于所有MAC层组件之上，并拦截来自网络层的I / O和无线电控制请求（例如，切换信道的请求）。ViR使用此信息在不同网络层协议上复用物理无线电。

ViR将时间划分为等长时隙，节点在每个时隙期间占用一个活动信道。如果至少有一个网络层协议先前已请求切换到该通道，则通道处于活动状态。我们注意到，虽然所有节点使用相同的时隙持续时间，但它们不必同步其时间表。

当节点没有待处理的传出数据包时，它会按升序循环遍历所有活动通道。传入的数据包立即传送到预期的协议。节点在每个时隙的开头广播CH SCHEDULE分组，以帮助邻居学习他们的信道调度。CH SCHEDULE分组携带定时偏移，该定时偏移指示下一次节点被调度在每个活动信道上。

处理传出数据包的这个基本方案需要进行一处更改。具体地，节点可以偏离预定义的信道调度，以便将分组交会并发送到邻居。这种偏差的概率取决于本地节点在下一个时隙期间预期邻居将在期望信道上的置信度。例如，来自邻居的缓存CH SCHEDULE分组的年龄可以影响该置信度。但是，如果节点x经常偏离其预定义的信道调度，则其他节点难以与节点x会合。出于这个原因，节点在下一个时隙期间保持在它们的预定信道上，概率p = 0.25。节点切换到具有未决输出分组的N个信道之一，概率为（1-p）/ N。

在确定下一个时隙的信道之后，ViR切换物理无线电信道，然后它一个接一个地重复发送用于当前信道的任何未决数据包。与发送方启动的数据包传送方法类似，一旦预期的接收方确认其接收，或者数据包超过其生命周期，ViR就会停止传输数据包（PacketTimers接口在Section中3.2.2 可用于分配数据包传输截止时间）。

在此基本方案之上可以进行优化。如果节点具有针对多个邻居的待处理分组，则它可以使用循环调度来尝试传递，以避免延迟切换到当前信道的节点的线头阻塞。此外，如果节点知道邻居何时将进入信道（例如，来自CH SCHEDULE消息），则它可以推迟针对该邻居的分组的传输。

4.2 评估

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