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无线传感器网络跨层通信协议综述与分析本科论文

无线传感器网络跨层通信协议综述与分析

昆明学院2011,33（3）:

55—59JournalofKunmingUniversityCN53—1211/G4ISSNl674—5639无线传感器网络跨层通信协议综述与分析文红丽,高飞（云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明650500）摘要:

设计基于跨层机制的通信协议,以达到优化网络性能,有效分配网络资源的目的,是无线传感器网络研究巾的一项关键技术.对现有的基于跨层设计的网络通信协议进行综述和分析,并以跨层通信协议设计的目的性为着眼点,对跨层通信协议划分为3类:

提高互操作性和增强网络适应性为目的的跨层设计,提高某些性能标准为目的的跨层设计和无分层模型设计.该分类方式有助于网络设计人员进行更具有针对性和实用性跨层设计.关键词:

无线传感器网络;通信协议;跨层设计;网络生命周期中图分类号:

TP393.04文献标识码:

A文章编号:

1674—5639（2011）03—0055—05TheSummaryandAnalysis0fWirelessSensorNetworkCommunicationProtocolbasedonCrossLayerMechanismWENHong—li,GAOFei（CollegeofElectricalandInformationTechnology,YunnanUniversityofNationalities,YuflnanKunnfing650500,China）Abstract:

Thedesignbasedoncommunicationprotocolofcrosslayermechanism,withthegoaltooptimizethenetworkperformanceandeffectivedistributionisthekeytechnologytotheresearchofWSN.Thenetworkcommunicationprotocolsbasedontheexistingcross—layerdesignwerereviewedandanalyzed,andbyfocusingonthepurposeofcross—layercommunicationprotocolswhichhavebeenclassifiedtothreeitems:

thecross—layerdesignofimprovinginteroperabilityandenhancingnetworkforthepurposeofadaptability;im—provingSOfflCparticularperformancestandardsanddesignofnolayermode1.Thisclassificationapproachhelpsthenetworkdesignerstomakethedesignofcross—layerwithpertinenceandpracticability.Keywords:

wirelesssensornetworks（WSN）;communicationprotocols;crosslayerdesign;networklifecycle0引言无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是一种大规模,自组织,无线多跳,以数据为中心的无基础设施网络,能够通过各类集成化微型传感器的协作进行实时监测,感知和采集各种环境或监测对象的信息～.随着无线通信,微芯片制造等技术的进步,WSN研究与应用取得了许多重要进展.但是由于无线信道的动态变化特性j,无线介质的不可靠性,广播特性-53,WSN的能量,存储能力,通信能力,计算能力资源受限等特点,使得基于层次结构的网络体系难以适应WSN的应用,因此Srivastava和Motani提了基于跨层的通信协议设计思想,其核心是:

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,但不是完全否定了传统无线网络的分层模式,而是模糊了严格的层间界限,将分散在网络各个子层的特性参数协调融合,协议栈以全局方式适应特定应用所需的Qos和网络状况的变化,根据系统约束条件和网络特征进行综合优化,实现网络资源的有效分配,提高网络的综合性能.由于研究者设计跨层通信协议时的出发点以及考虑的相关因素不一样,使得不同设计者设计的WSN跨层通信协议具有明显的差异性.对这些协议的共性和差异性进行综述和研究以及理清WSN跨层通信协议关键技术的发展过程,为研究者提供具有指导意义的研究方向具有十分有重要的价值.目前,跨层通信协议主要有2种分类方法:

1）TommasoMelodia等人根据跨层通信协议中所联合的功能层进行分类,如:

MAC层和PHY层信息交互的跨层协议,MAC层和Routing层信息交互的跨层协议,Routing层和PHY层信息交互的跨层协议,Transport层和PHY层信息交互的跨层协议收稿日期:

2011—03—10基金项目:

国家民委科研基金资助项目”基于跨层设计的无线传感器网络拓扑控制技术研究”（10YN02）;国家自然科学基金资助项目”云南民族地区水质监测无线网状传感器网络跨层机制研究”（60963026）;云南省无线传感器网络重点实验室基金资助项目”基于WSN结构的跨层协议设计与计算机仿真”（09ZK02）作者简介:

文红丽（1982一）,女,山东菏泽人,硕士研究生,主要从事通信网络与通信信号处理研究.通讯作者:

高飞（1961一）,男,云南昆明人,教授,硕士,主要从事多址通信系统,传感器网络技术研究.E—mail:

gaofei@yn—niedlJcn昆明学院2011年6月和3层以上信息交互的跨层协议等;2）陈国铭根据跨层通信协议所优化的网络性能对网络跨层通信协议进行分类,如:

基于能量效率的跨层优化,基于Qos保障的跨层优化,增加新层次框架的跨层优化等.WSN是一种典型的应用性网络,其通信协议设计应具有明确的应用目的.本文从协议设计的目的性出发,通过现有的跨层通信协议方案进行总结和分析,将其分为以下3种类型:

1）提高互操作性和增强网络适应性为目的的跨层设计;2）提高某些性能标准为目的的跨层设计;3）无分层模型设计;下面,将对上述3种分类中的主要跨层通信协议设计方案的技术要点进行描述和分析,并对它们的性能进行比较.1提高互操作性.增强网络适应性为目的的跨层设计为了解决新技术和新应用不能够很好地应用于传统的WSN这个问题,Culler等人提出重新构建传感器网络体系,通过信息共享提高层次问的互操作性,增强网络的适用性.其中,SP（SensorProtoco1）[91跨层体系和TinyCubus【10]跨层体系都是从增强层次间的互操作性着手,达到以增强网络体系适应性为目的的跨层设计方案.SP协议通过加入一个传感器网络协议（Sensor—NetProtoco1）的抽象层次实现了层次间的信息共享,而TinyCubus体系则引入了Tinycross—layerFramework（TCF）组件达到信息共享的目的.两种设计方案虽然各有千秋,但都达到增强层次间信息交流,信息共享的目的.此外,两种跨层设计方案还涉及到了WSN的应用多样性问题,SP通过Sensor.NetProtocol层来适应WSN的各种应用问题,而TinyCubus通过TinyConfigurationEngine（TCE）适应WSN的不同应用.除此之外,两种跨层设计方案都有独特的设计特点,图1,图2分别是两种跨层网络设计体系.Sere—or-Net}n-NetworkStorage{{Pll—l～～～lsl{l…{{DataLinkIPhysicalAlichitecture图1SensorProtocol跨层体系其中,SensorProtocol跨层体系是基于独立的平台设计的,而TinyCubus体系是基于TinyOS平台设计的.SensorProtocol跨层设计和TinyCubus跨层设计都涉及到了如何解决网络接口这个难题,针对此问题,目前尚未有具体的解决方案,若要获得解决方案,还需针对不同网络需求和应用平台进行深入研究.不仅如此,两种跨层网络模型都只是简单的介绍了该体系中各个模块的功能,至于采用什么技术来实现协议功能,仍没有统一的解决途径.以上问题都需要综合考虑设计平台类型,硬件要求以及网络性能需求等因素才能获得统一的解决途径.上述两种跨层设计方案的体系结构比较复杂,旨在提高网络互操作性,增强网络适应性,并没有涉及网络能效性.图2TinyCubus跨层体系Lu等”试图寻找一种WSN跨层设计标准,使网络设计者能够依据这种标准来设计WSN的跨层协议体系,如图3所示./SensorNetworkApplications同稠司lIIHybridI/DataManagemenDatePlacenent&DiscUvih-NetwomDateFroc（~l/TransportLayer_莹专喜NetworkLayer羔要点ConnectivityMaintenance墨耋苫MAClayer/PhysicalLayer（Sensing.Processing&CommunicationCapabilities）/图3Lu跨层体系Lu跨层设计体系建立了横向和竖向网络结构,横向网络结构包含了传统层次功能层,竖向网络结构进行跨层协作.为了适应WSN动态性及间歇性引起的网络动态拓扑,Lu跨层设计体系在MAC层和网络层间加人一个横向连通保持层,保证了网络拓扑的连通性.此外,Lu跨层设计体系还在传输层和应用层间加入了数据管理层来存储数据,发现数据和处理网络信息.竖向网络层次提供传感器网络的特定服务,如:

覆盖管理层负责确保有足够数量的节点来监测一个目标区域;地理和时间服务组件负责确定节点在网络中的地理位置,并保证节点之间的同步性.不同的WSN应用导致网络的性能需求不同,譬力一0uo1o口0_日u口罩吕葛0j第3期文红丽,高飞:

无线传感器网络跨层通信协议综述与分析57Lu跨层设计利用层次间性能参数的关联性,采用一种自上而下的设计方法,如:

从应用层,经过通信协议栈,直到物理层,综合分析各层次间的性能参数的联系性.利用Lu跨层设计所建立的性能参数关系,实现不同的网络性能需求.Lu跨层设计体系没有设置专门的网络组件管理应用问题,因此,Lu跨层设计体系结构上没有SP和TinyCubus复杂,同样Lu跨层设计tE没有考虑到WSN的能效性问题.2以提高某些网络性能为目的的跨层设计以提高某些网络性能为目的的跨层通信协议设计方案应用比较广泛,主要是因为:

1）这种跨层优化设计可以在传统WSN通信协议的基础上进行局部改进,相比上述跨层设计体系,比较容易实现.2）这种跨层优化设计可以针对网络应用不同,性能需求不同进行设计,优化诸如网络时延,能耗,网络安全,网络吞吐量等性能参数,从理论上容易实现.0AB（OptimizationAgentBased）币ⅡDMA—CLD.=ftheDynamicMuti—AttributeCross—LayerDe—sign）是这类跨层设计采用的典型跨层设计方案,其他类似的跨层设计方案都是在其基础上进行改进和创新.DMA—CLD和OAB的跨层通信协议设计结构如图4,图5所示.一图4DMA—CLD跨层体系0SIStack_--—.kApplicarlon/——_●■一Presentation/《0--●-__Session/≥___■’—一Transpo~/2--●——-牛Netw.rk,g0_--,kDateLink（MAC/Link）0t_一.—?

Phys.ical_—一●_-—Inter-layerinteractions图5OAB跨层体系DMACLD是基于AdHoc和传感器网络提出的一种跨层通信协议,该协议Jt:

VVCg层和不相邻层间的接口同时存在,实现了层次间信息共享的目的.DMA—CLD跨层设计以某些性能标准（如剩余能量,时延等）作为输入,依据网络信息或需求达到优化网络性能的目的.其中OAB跨层设计是基于DMA—CLD跨层设计的一种优化结构,该跨层通信协议引人了优化代理层,实现层次间的信息共享.OAB跨层通信协议允许各个层间的性能参数信息保存在OA模块中,该设计方法优点是各个层不仅能独立进行性能优化而且可以综合优化网络性能.SwethaNarayanaswamy等从理论上分析了节点的发射功率如何影响物理层通信链路质量,MAC层竞争,传输层接收干扰性和网络层的路由选择等问题,在此基础上,作者提出了一种基于发射功率的跨层通信协议--COWPOW（COMONPOWER）,该协议在网络连通的情况下选用小发射功率优化路由选择,达到了提高节点能效性,延长网络生命周期,减少MAC层竞争的目的.COWPOW跨层通信协议利用应用层,网络层和物理层的信息共享,实现了网络性能的最优化,网络资源的有效分配.WeiYe等在S—MAC（SensorMAC）协议基础上提出了一种跨层改进协议一As—MAC（adaptivesen—sorMAC）协议,该协议在节点休眠时间内引人自适应侦听机制,目的是唤醒相关节点,以便在下一个侦口斤/睡眠周期到来之前继续传递数据.AS—MAC跨层通信协议通过减少数据传递的多跳时延降低了网络通信时延,但也存在另外一个问题一”强迫唤醒”,即:

一些不参加此次通信的节点也被强制唤醒,造成了能量浪费.为了解决AS—MAC协c义中的”强迫唤醒”问题,郑国强等提出了一种能量高效的MAC（CrossLayerEnergyEfficientMAC,CLEE—MAC））协议,该协议通过改变AS—MAC协议中RTS和CTS控制帧格式,将路由层的路径信息告知给通信节点,当NAV时钟计数器为零时,仅唤醒数据通信的下一跳节点,其他通信节点继续休眠.通过解决”强迫唤醒”问题.CLEE—MAC跨层通信协议在能效上优于AS—MAC跨层协议.AS—MAC跨层通信协议和CLEE—MAC跨层通信协议通过利用MAC层和路由层问信息共享,降低了网络通信时延,提高了网络能效性.另外,还有一些相关协议如:

G.M.Geoffrey等提出的CLPC（Cross—LayerPowerContro1）算法,其综合考虑热噪声,衰减等因素反馈信息给PHY,达到了降低节点能耗,延长了网络生命周期的目的.RaghulGunasekaran等提出的XIRP（CrossLayerRoutingProtoco1）跨层优化协议,利用应用层,物理层信息交互,选择数据发送功率及关闭数据收发模块达到降低节点能耗,延长网络生命周期的目的.FeiluLiu等人基于CoopMAC机制提出了MAC—PHY跨层优化协议,通过利用MAC—PHY层信息交互,获得低通信时延,高网络吞吐量.R.Rugin等提出的MAC—Routing跨层优化协议,是利用均衡距离指标和能耗指标方式来寻找下一跳节点,达到了降低网络能耗,延长网络生命周期,提高网络吞吐量的目的.C.V.Mehmeturan从分布式占空比,拥塞控制着手,提高了WSN传输的高效性和可靠性.F.Emadl2通过在WSN中利用扇形天线进行跨层设计58昆明学院2011年6月达到了增加网络吞吐量和降低时延的目的.以上以提高某些性能为目的跨层通信协议,针对性很强,容易实现.因此,很多研究者采用这类跨层设计方案来保证Qos,延长网络生命周期,提高网络吞吐量,降低网络时延等.但是这类跨层设计方案的适用性不是很好,需要根据不同网络性能需求重新设计跨层协议,工作量和成本都较大.3无分层模型设计I.F.Akyildiz提出了一种完全统一的跨层设计模型——XLM（Cross.LayerModule）,该跨层设计完全打破了传统的WSN层次结构,把传统网络中各个功能层次的任务和信息进行融合,处理,纳入到一种单一层次网络模块,作者称这种跨层设计模型为无分层模型设计.XLM跨层设计方案的核心为判决门限,根据接收到的信噪比,局部拥塞控制信息和分布式功能进行判决处理,保证WSN的能效性和可靠性,它的门限判决值有以下式子完成:

=R巧≥m,其中,判决值,由上式4个参数值来决定,即:

接收到的信噪比,传输数据速率,剩余缓冲容量和节点剩余能量,以上4个判决条件保证了通信链路的可靠性,控制了网络拥塞,均衡了节点能耗.只有这4个参数均满足条件时,判决值,才为1,否则为0.WSN中的节点依据判决值,来判断是否参与此次通信,当判决值,为1时,此节点参与此次通信,否则,进人休眠.这类无分层设计方案ttz是基于提高某些网tfi,~能而进行的网络协议设计,通过完全打破传统网络层次结构,消除层次概念,融合为单一层次模块.相比传统的WSN层次协议,XLM跨层通信设计方案的网络性能和网络实施性都有很大的提高,特别是网路的可靠性和网络能效性方面,但是其适用性很差,针对一些性能需求,整个跨层设计需要重新构建.4跨层通信协议设计方案性能比较上述3类跨层通信协议设计特性和特点各有千秋,本文从网络适用性,结构复杂性,性能优化几个方面进行分析,得到表1所示结果.表1跨层设计比较根据表1所示跨层通信协议设计的目的不同,所体现的应用或性能优化也有差别.如SP,TinyCu.bus,Lu等跨层机制是为了寻找WSN的跨层设计标准而进行的跨层网络设计,该跨层设计的目的是能够灵活地使用网络新技术,适用于各种新应用,就如传统网络中的TCP/IP5层网络结构,该网络结构是一种固定网络标准,网络设计者只需依据这些标准进行各层设计,各层可以灵活地应用各种协议或新技术.SP,TinyCubus,Lu等跨层机制设计也试图寻找一种WSN跨层机制设计标准,能够促使WSN更迅速地发展,灵活地兼容各种不同应用的wSN.但是该类跨层机制设计难度较大,设计结构比较复杂,存在许多挑战性的难题,同时,也忽略了WSN的性能需求问题.目前为止,学术界和工业界仍没有统一的WSN跨层设计标准.相对来说,以提高某些网络性能为目的的跨层机制设计比较容易,可以根据不同的应用环境或应用对象进行跨层协议设计,如:

在监测野生动物时,网络设第3期文红丽,高飞:

无线传感器网络跨层通信协议综述与分析59计者希望提高网络能效性,这就需要设计者针对节能问题来设计跨层网络协议,如:

COWPOW跨层协议;在煤矿瓦斯监测中,WSN需要提高网络实时性,设计者将针对降低网络时延进行设计,如:

AS—MAC,CLEE—MA跨层协议.虽然这类跨层设计比较容易,由于设计者没有标准可循,各自依据网络应用需求优化网络性能,使得WSN的兼容性较差.第3类跨层通信协议南于完全打破了传统的层次结构,虽然提高了网络性能,但是网络适用性和兼容性比较差.根据以上分析,针对WSN的跨层设计发展趋势来说,主要有以下两种发展趋势:

1）在未来的研究中,提高互操作性,增强网络适应性为目的的跨层设计是WSN跨层机制设计发展的一种趋势.新技术与新应用的出现,迫切需要WSN跨层设计6-统一的设计标准,使网络设计者6-章可循,提高网络的兼容性和适应性.2）从短期目标来说,提高某些网络性能为目的的跨层机制设计获得了研究者的极大关注.很多研究者为了提高网络性能设计不同的跨层通信协议,但是针对不同的WSN应用,需要设计不同的网络协议,这种跨层设计的重新设计频率较高,互通性较差,限制了WSN跨层设计的统一化,标准化.综上所述,WSN跨层机制设计的两种发展趋势,前者只关注网络的适用性,忽略了网络性能优化,后者只关注了优化网络性能,忽略了网络适用性.若将这两种发展趋势进行综合发展,在前者设计的网络结构巾加人性能优化模块,提高网络性能;在后者设计的网络结构中多考虑网络适应性,增强网络互操作性,将会促进WSN跨层设计标准化,统一化.5结论总之,随着WSN的飞速发展,提高互操作性,增强网络适应性为目的的跨层设计是WSN跨层发展的必然趋势.虽然这种探索还处在摸索阶段,但是WSN跨层机制标准化,统一化在_-12业界和学术界是一种必然趋势,具有重要的意义.以提高某些网络性能为目的的跨层机制设计为WSN跨层设计标准化,统一化提供了有意义的参考信息.无论在工业界还是学术界,WSN跨层研究有很大的研究,开发空间,建立一个成熟的,统一的WSN跨层体系是未来WSN研究的必然趋势.[参考文献]:

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