Rethinking Multi-Channel Protocols in Wireless Sensor Networks

1 Introduction

Modern radios used in wireless sensor networks, such as those that implement the IEEE 802.15.4 PHY standard [5], can operate in multiple frequency bands. Previous work has shown that this capability can be used to increase the throughput of WSNs [16], reduce intra-network interference[9, 18], and reduce the impact of external interference to WSNs [11]. Despite these benefits, the mechanisms proposed thus far are implemented at different layers of the protocol stack, are incompatible, make assumptions about the applicationsrsquo; characteristics, and do not support multiple applications at the same time.

In this paper we argue that it is time to rethink how multi-channel protocols are engineered and reach a consensus about how they fit in the emerging WSN architecture [2, 6, 10]. Such an agreement will promote interoperability and code reuse and is likely to simplify the development of applications that will benefit from radio channel diversity. The additional challenge is to do this integration with minimal disruption to the existing protocol stack and application archetypes.

We posit that multi-channel protocols can be factored into two different components: a Channel Allocation (CA) component responsible for allocating one or more frequency channels to upper layers and a Channel Synchronization (CS) component that determines the time interval that a node should switch its radio to a certain channel. Network-level protocols can include their own CA components, allowing them to express specific ways of using frequency channels. For example, real-time network protocols can reduce data delivery latency due to channel switching by switching all nodes over an end-to-end network path to the same channel. On the other hand, a single CS component is implemented at the MAC layer that exposes the same MAC-layer interface and augments it with a minimal interface for using multiple frequency channels.

We describe a straw man implementation of the proposed components and outline how existing multi-channel protocols can be re-factored along these lines. Finally, we show how the proposed architecture can be used to virtualize the radio among multiple network layer protocols that run concurrently on the same mote.

2 Background

2.1 Benefits of Using Multiple Channels

We group multi-channel protocols into three categories based on their primary purpose for using multiple frequency channels.

Improve network throughput. Wu et al. proposed the TMCP multi-channel tree collection protocol and observed that the network throughput doubled as the number of available channels increased from two to eight [16]. Zhang et al. proposed the TMMAC MAC protocol and showed that it achieved seven times the throughput of the standard 802.11 DCF protocol in a simulated network with 40 concurrent flows when six channels were available [17].

Minimize intra-network interference. Since the radio is a shared medium,concurrent transmissions in the same broadcast domain result in collisions and possibly packet losses. Wu et al. presented empirical results suggesting that 802.15.4 radios have a maximum of eight orthogonal channels1 [16]. Zhou et al. [18] and Liang et al. [9] used channel diversity to reduce the number of conflflicting transmissions. The latter work also observed that channel diversity promotes spatial reuse and reduces the latency of networkwide dissemination.

Avoid external interference. Considering that multiple radio standards operate in the same unlicensed frequency bands (e.g., 802.11, 802.15.4, and 802.15.1 all operate in the 2.4 GHz band), channel diversity is one method to mitigate external interference among collocated networks. The WirelessHART standard offers an example of this approach [11]. It employs a TDMA protocol, in which nodes switch their radio frequency at the start of each time slot. The frequency selection is based on the current time slot index and a secret channel offset shared by the two communicating nodes.

2.2 Limitations of Current Multi-Channel Protocols

While the discussion in Section 2.1 suggests that channel diversity can improve performance, we argue that current approaches lack the flexibility and the generality to support diverse application requirements.

Lack of Architectural Consistency. Based on the experience from developing and deploying WSN applications, an architecture for wireless sensor networks is starting to emerge [2, 6, 10]. Nevertheless, there is no consensus as to where channel switching belongs in the architecture and how it interfaces with the rest of the protocol stack. Existing multi-channel protocols are mostly implemented at the MAC level ([7, 17, 18]) or integrated to network layer protocols ([8, 9, 13, 16]). In turn, this lack of agreement impedes code reuse and protocol interoperability.

Restrictive Application Assumptions. Existing multichannel protocols generally assume simplistic application behaviors —data collection with constant traffific rate being the most common one. For example, Le et al. proposes a multi-channel MAC protocol that is optimized for collection and aggregation traffific patterns [7]. However, supporting an expanding application landscape requires a multi-channel framework that can support multiple traffific patterns and QoS levels.

Monolithic Applications. After a decade of active development, open-source implementations of many WSN protocols are publicly available. This availability has enabled thedevelopment of applications that compose multiple network protocols to implement their logic. For example, one could combine a data collection protocol with a dissemination protocol to implement an en

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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，并且不同时支持多个应用程序。

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。

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 c

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