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对无线传感器网络中的多信道协议的再思考
Chieh-Jan Mike Liang Andreas Terzis
约翰霍普金斯大学 约翰霍普金斯大学
计算机科学系 计算机科学系
cliang4@cs.jhu.edu terzis@cs.jhu.edu
摘要
现代无线电上多频信道的可用性为提高网络性能提供了一种途径。然而，当前的多通道协议缺乏体系结构一致性和灵活性，无法支持多种应用程序。在本文中，我们认为有必要将信道交换集成到新兴的无线传感器网络体系结构中，并提出一种实现将问题分解为两个可重用组件：与网络层协议集成的信道分配组件以及在MAC层的共享信道同步组件。
此外，我们还概述了如何重新考虑现有多通道协议以符合所提出的体系结构和当前的VIR，通道同步组件的初始实现。最后，使用从现有协议合成的实际应用程序，我们展示了VIR如何减少协议之间的冲突并减少数据包丢失。
- 引言
在无线传感器网络中使用的现代无线电，例如那些实现IEEE802.15.4phy标准[5]的无线电，可以在多个频段工作。以前的研究表明，这种能力可以用来增加无线传感器的吞吐量[16]，减少网络内干扰。[9，18]并减少外部对WSN[11]的影响。尽管有这些好处，但迄今为止提出的机制是在协议栈的不同层实现的，不兼容，对应用程序的特性进行假设，并且不同时支持多个应用程序。
在本文中，我们认为是时候重新考虑如何设计多通道协议，并就它们如何适合新兴的WSN体系结构达成共识[2，6，10]。这样的协议将促进互操作性和代码重用，并有可能简化从无线电频道多样性中受益的应用程序的开发。另外一个挑战是在对现有协议栈和应用程序原型进行最小中断的情况下进行这种集成。
我们假设多信道协议可以分解为两个不同的部分：负责将一个或多个频率信道分配给上层的信道分配（CA）组件和确定节点将其无线电波切换到某个信道的时间间隔的信道同步（CS）组件。网络级协议可以包括自己的CA组件，允许它们表示使用频率通道的特定方式。例如，通过将端到端网络路径上的所有节点切换到同一个通道，实时网络协议可以减少由于通道切换而导致的数据传递延迟。另一方面，在MAC层上实现了一个单一的CS组件，该组件公开了相同的MAC层接口，并通过使用多个频率通道的最小接口对其进行扩充。
我们描述了提议组件的一个稻草人实现，并概述了如何沿着这些线重新考虑现有的多通道协议。最后，我们展示了如何使用所提议的架构来虚拟化多个网络层协议之间的无线通信，这些协议在同一个MOTE上同时运行。
- 背景
2.1多渠道使用的好处
我们根据多频信道的主要用途将多信道协议分为三类。
提高网络吞吐量。吴等人提出了TMCP多通道树收集协议，观察到随着可用通道数从2个增加到8个，网络吞吐量增加了一倍[16]。张等人提出了tmmac-mac协议，并证明在一个具有40个并行流的模拟网络中，当有6个信道可用时，该协议的吞吐量是标准802.11 dcf协议的7倍[17]。
尽量减少网络内干扰。因为收音机是一种共享媒体，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。吴等人提出了经验结果，表明802.15.4无线电最多有八个正交信道[16]。周等。[18]和亮等人[9]使用信道分集减少冲突传输的数量。后者的研究还发现，信道多样性促进了空间复用，并降低了网络范围传播的延迟。
避免外部干扰。考虑到多个无线电标准在同一未经许可的频段（如802.11、802.15.4和802.15.1）中运行，所有这些标准都在2.4 GHz频段，信道分集是缓解配置网络间外部干扰的一种方法。无线哈特标准提供了这种方法的示例[11]。它采用了一种TDMA协议，其中节点在每个时隙开始时切换其射频。频率选择基于两个通信节点共享的当前时隙索引和秘密信道偏移量。
2.2当前多通道协议的局限性
虽然第2.1节中的讨论表明通道多样性可以提高性能，但我们认为，当前的方法缺乏灵活性和通用性，无法支持不同的应用程序需求。
缺乏架构一致性。基于开发和部署WSN应用程序的经验，无线传感器网络的体系结构正开始出现[2，6，10]。然而，对于信道交换在体系结构中属于何处，以及它如何与协议栈的其余部分进行接口，还没有达成共识。现有的多通道协议主要在MAC层实现（[7，17，18]）或集成到网络层协议（[8，9，13，16]）。反过来，这种协议的缺乏阻碍了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定简化的应用程序行为-以恒定流量收集数据是最常见的。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通道MAC协议[7]。但是，支持扩展的应用程序环境需要一个多通道框架，该框架可以支持多种流量模式和QoS级别。
单片机应用。经过十年的积极发展，许多WSN协议的开源实现是公开的。这种可用性使组成多个网络协议的应用程序的开发能够实现其逻辑。例如，可以将数据收集协议与传播协议结合起来使用动态重划来实施环境监测应用程序[12，14]。然而，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通道，从而导致其中一个协议的数据包丢失。相反，多通道协议应该支持多个并发的上层协议，并自动解决这些冲突（例如，通过在两个通道之间切换）。
- 多通道协议框架
第2节认为，我们需要一种一致的方法来将频率分集集成到无线传感器网络体系结构中。这样做需要解决三个挑战。首先，我们需要识别和分组多通道的紧密耦合函数。协议需要到可重用组件中。第二，我们应该利用现有架构组件的功能构造和定位这些组件。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度量（如网络吞吐量）。CS组件控制收音机何时应切换到每个CA选择的频道，以便节点可以彼此通信。CS组件应该根据延迟和能源使用等数据交付指标制定这些调度决策。
与现有的在网络层或MAC层实现多通道协议的工作相反，我们提出了一种跨层方法，将CA组件定位在网络层上，将CS组件定位在MAC层上。
我们允许每个网络协议实现自己的CA组件有两个原因。首先，由于不同的网络层协议有不同的需求集，所以一个通用的CA组件不适用于所有的用例。第二，由于CA组件是协议的一部分，它可以访问协议的节点状态和协议对等方之间交换的信息。
另一方面，每个MAC协议只有一个CS组件，它与网络层的所有CA组件交互。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组件对无线电请求具有可见性，以解决可能的协议间冲突。此外，CS组件可以利用MAC层功能向下一个跃点邻居传递消息。这些功能包括邻里状态维护和链路级确认。
将多通道协议分解为CA和CS组件类似于互联网中路由和转发平面的分离；CA组件和路由平面在网络范围内进行决策，而CS组件与转发平面类似，实现了将数据包转发到下一个跃点所需的机制。
3.2组件接口
AC层向上层提供三种基本服务：发送数据包，接收数据包，打开和关闭无线电。CS组件最小限度地扩展了这个狭窄的接口，允许上层利用多个无线信道的优势。同时，CS组件的存在对于不可知多个无线电频率可用性的遗留协议是透明的。我们将新的CS接口分为CA组件使用的接口（sect;3.2.1）和网络层协议可以用来提高性能的接口（sect;3.2.2）。我们注意到，当我们使用NESC描述Tinyos兼容接口时，它们不是针对TinyOS的。
3.2.1 CA组件的接口
频道预订。渠道预订接口提供两种服务。首先，CA组件可以发出数字（）命令来检索可用的无线电频道数。其次，渠道预订（）命令允许CA组件在本地节点上保留通道。由于CS组件截获所有无线电控制请求，如果CA组件尝试切换到以前保留的通道，则请求将失败并返回相应的错误代码。
代码为：interface ChannelReservation {
command uint8_t numChannels();
command error_t reserveChannel(uint8_t channel);
}
渠道利用率。渠道利用监测器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状态，但常见的选择包括打算使用特定通道的网络层协议的数量以及在通道上发送和接收的数据包的数量。接口要求获得利用率（）命令返回一个介于0和255之间的整数，分别对应于最低和最高的利用率。
代码为：interface ChannelUtilMonitor {
command uint8_t getUtilization(uint8_t channel);
}
3.2.2网络层协议的接口
跳频序列。CS组件根据内部时间表切换无线电频道去处理不同频道的无线电发送/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频道时进行查询。此信息可用于设置协议超时值，尤其是因为复用无线电实质上降低了每个协议的有效带宽。
代码为：interface FreqHoppingSeq {
command uint32_t nextTime(uint8_t channel);
}
计时器。由于通道同步带来的延迟，现有的多通道机制通常遵循最终的交付服务模型。此外，它们不能为上层提供表达他们的包传输请求。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组件引入了包装时间接口，其中包含设置包计时属性的命令。首先，我们借鉴了SP体系结构中的紧急位概念[10]。紧急位通知CS组件无线电请求应具有更高的优先级，并先于其他请求进行处理。其次，我们允许上层为其数据包设置服务持续时间计时器变速箱。当其中一个定时器触发时，MAC层应丢弃相应的传输请求，并向网络层正确的反馈错误代码。
代码为：interface PacketTimers {
command void setUrgentBit(message_t* pkt);
command void clrUrgentBit(message_t* pkt);
command void setServiceDuration(message_t* pkt,
uint32_t timeout);
command 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几节中提出的接口开发多通道协议。我们通过“台风”来实现这一点，这是一种网络范围的传播协议，使用专用的控制通道启动和协商用于后续数据传输的通道[9]。在引导过程中，CA组件使用渠道预订接口来保留专用的控制通道，并查询可用的无线通道总数。然后台风节点会公布他们所拥有的对象的摘要。这些广告允许节点检测本地邻居中的任何过时对象，并启动检索新版本对象的请求。
为了从邻居X中检索对象，节点Y通过公共控制通道发送请求消息来启动握手。然后，节点X查询其CA组件以获取用于数据传
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