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1、高效可行的多信道无线传感器网络通信Yafeng Wu, John A. Stankovic, Tian He, and Shan LinComputer Science Department, University of Virginia, yw5s,stankovic,sl8yccs.virginia.eduDepartment of Computer Science and Engineering, University of Minnesota, tianhecs.umn.edu摘要：本文论述了如何利用多信道技术来提高无线传感器网络（Wireless Sensor Networks ，W
2、SNs）的通信性能。我们首先使用Micaz节点进行密集的观察实验来调查WSNs多信道技术的现状。研究表明，由于现实网络中可用信道数目较小且存在不可避免的时间差错，现有的多信道协议并不适合WSNs。利用这些观察，我们为数据采集应用提出了一个全新的基于树的多信道技术方案，该方案将信道分配给不相连接的树并在树之间进行并行传输。为最小化树之间的干扰，我们确定了一个新的被证实为NP不完全的信道分配问题。接下来提出了一个贪婪信道分配算法，该算法在可用信道较少的密集网络中性能超越了其它的协议方案。在现实的实验平台上我们运行了被称为TMCP的协议。通过仿真和实验，TCMP协议被证实能够显著提高网络吞吐量并降低
3、数据包丢失。更重要的是，评估结果表明与其它多信道协议相比，TCMP协议更好的适应了WSNs多信道技术的现状。I.介绍作为一项新兴技术，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks ，WSNs）具有广泛的潜在应用范围，包括环境监测，智能建筑，医疗以及工业和军事应用。大量媒体接入控制（MAC），路由和传输层协议被提出。然而因为频率干扰和带宽限制，使用单一信道的WSNs无法提供可靠地实时的高数据速率通信。例如，在“地面耳朵”（Ears on the ground）项目中，网络无法传送多路声信息流至汇聚节点。另一方面，现有WSN硬件比如Micaz和Telos所使用的CC2420接收
4、器已经提供了多个频段。因此，设计基于多信道的WSNs通信协议来提高网络吞吐量及提供可靠的实时通信服务成为当务之急。近期一些旨在提高WSNs网络性能的MAC层多信道协议相继被提出。这些协议通常将不同的的信道指定给两跳相邻节点以避免潜在的干扰，还有复杂的MAC机制来协调信道转换和节点间传输。举例而言，MMSN2，TMMAC3和MCMAC4就是为WSNs设计的。仿真结果表明，与单信道协议相比它们能够显著提高网络吞吐量。本篇论文关注于如何利用多信道技术提高WSNs的通信性能。与过去的研究工作不同，我们首先通过一系列观察实验调查多信道技术的现状。接下来为数据采集应用提出基于树的多信道协议（Tree-ba
5、sed Multi-Channel Protocol ，TMCP），并研究一个新的信道分配问题。这些工作的主要贡献是： 本篇论文提供了通过密集的实验得出的多信道技术现状的观察研究，并分析现有多信道协议的实用问题。我们展示了由于可用信道较少以及实际中不可避免的时间同步差错，这些协议不适合常规的WSNs。 TCMP协议将整个网络分割成多个子树，为每一子树分配不同的信道，然后数据流仅沿着自己相应的子树向前传送。这一机制在信道数目较小时工作性能良好，而且有简单的无需节点同步的传输方式，这使得它能适合于通常的WSNs。 我们确定和解决了如何分割子树以最小化树间干扰的新问题。分析了问题的复杂度并提出一个贪
6、婪解决算法。仿真结果显示在密集网络中它比其他机制更好的减少了干扰。 通过仿真和实际实验，我们在真实的实验平台上运行TCMP评估它的性能。实验表明TCMP能够大幅提高网络吞吐量，同时保持高数据包传输速率和低传输延迟。更进一步，展示了它的性能优于其它多信道协议。论文其余部分是如下组织的：在第二部分中我们揭示了相关工作，第三部分展示了调查多信道技术现状的观察实验结果。TCMP协议的设计在第四部分呈现。第五部分描述了信道分配问题并给出了贪婪算法和仿真。在第六部分里我们用仿真和实际实验评估了TCMP的性能。最后，第七部分介绍总结和未来的工作。II 相关工作在最近的研究中，大量通用无线网络多信道协议被提出
7、，比如多信道MAC协议5 6 7 8。这些协议或是要求每一节点都有多频段无线收发器，或是需要特定的信道协商控制信息。然而，它们并不适合WSN应用。首先每一节点设备通常仅带有单频收发器，无法同时工作在不同频段。第二，WSNs的带宽非常有限，数据速率也很小。因此，信道协商数据包成为不可忽略的负载。近年来，出现了MMSN 2, TMMAC 3 和 MCMAC 4这三个专为WSNs设计的新的多信道MAC协议。它们都尝试为两跳内相邻的不同节点指定不同的信道以避免潜在的干扰。我们称其为基于节点的多信道协议。仿真结果显示与单信道协议相比它们提高了WSNs的性能。但是采用基于节点的信道分配机制使得每一节点与上
8、下行的节点使用不同的信道。在一个多跳数据流中，节点不得不切换信道以接收和传送数据包，这回引起频繁的频率转换和潜在的包丢失。为了避免包丢失，基于节点的协议使用一些协商或计划机制来协调不同信道节点间的信道切换和传输。比如，以上提到的三个协议都使用时隙来协调传输。它们面临着实际WSNs的使用问题，包括：1）密集网络的信道分配需要大量正交信道；2）需要节点间时间精确同步；3）频繁的信道切换使得信道切换延迟和规划机制负载无法忽略，特别是高速数据传输中；4）协议通常比较复杂，要求节点有更好的的能源。我们的论文通过Micaz节点观察实验研究了这些实际问题，阐明基于节点的协议在实践中可能并不适合WSNs。 更
9、近一段时间，两个不同的信道分配方案被提出。文献9给出了一个基于单元的协议，该协议将信道指定给无线自组网络中相连的单元，在文献10中，节点基于为实现信道间负载平衡的理论动态的选择信道。尽管这些方案与我们的有相似的方式，但我们的方案致力于利用多信道来构建低干扰优化拓扑结构和优化实际WSNs的吞吐量。III. 多信道技术现状的实验设计好的协议需要更好的理解WSNs多信道技术的现状。在这一部分中，我们首先用一系列观察实验调查Micaz硬件设备的多信道干扰特性，包括相邻信道干扰和与802.11网络的相互干扰。在移动自组网络中这些特性得到了很好的研究11 12 13，但在WSNs中还缺乏观察实验。于是我们
10、在单一路径上测量基于节点的多信道机制的性能并调查时间同步差错的影响。利用这些实验结果，我们的分析表明现有的基于节点的机制不适用于WSNs和高数据率的应用。A. 可用正交信道的数目 多信道设计的一个重要参数是WSNs的可实际使用的信道数目。Micaz所使用的CC2420射频芯片提供16个相互间距5MHz不重叠的信道。但是因为相近信道干扰和802.11网络干扰的原因，并非所有信道都能用于单一传感器网络中。 1）非正交信道干扰：在通用无线网络中非正交信道干扰获得了很好的研究13。对于WSNs硬件，CC2420芯片说明书指出相邻信道rejection？是45/30dB，但尚未有关其对多信道WSNs性能
11、的真实影像的研究。接下来我们将展示研究此现象的实验。在第一个实验中，Micaz节点与一个发射器一个接收器和一个干扰源被放置在一条线上。干扰源的信号传送与发射器同步易产生干扰。发射器和接收器使用信道11。当发射器改变发送功率时，记录没有干扰源、信道12上有干扰源（相邻信道干扰）和信道13上有干扰（2个信道间距）三种情况下接收器的数据包接收率。实验结果如图一所示。可以看出没有干扰的情况下，接收器维持了超过90%的数据包接收率直到发射器的功率水平低于3。然而，存在相邻信道干扰使得在发射功率水平为7时数据包接收率降至50%，这清楚的表明相邻信道干扰影响显著而不能被忽略。另一方面，两个信道间距的特性曲线
12、与无干扰的接近，暗示干扰水平较低。我们在其它信道上进行了类似的实验获得了详尽的结果。为进一步调查相邻信道干扰，另有一组实验被用来弄清接收信号强度指数（Received Signal Strength Indication ，RSSI）阈值和不同信道干扰的关系。在这些实验中，接收器和干扰源的位置固定，间距两英尺，发射器沿着直线的不同位置移动。试验在干扰存在和不存在两种情况下运行。结果如图2和3所示，每一个点代表一对RSSR和数据包接收率数值。可以看出没有干扰的情况下，数据包接收率在90%以上时的RSSI为-89dB，而存在干扰时降至-77dB。当相邻信道干扰出现时，RSSI在-77dB 和-87
13、dB之间的传输不再可靠。其存在导致了意料之外的冲突和数据包丢失。唯一安全的方法是在多信道协议中仅使用非相邻信道。 2）802.11网络的干扰：另一个影响网络可用信道数目的因素是802.11网络的干扰。802.15.4说明资料显示802.11信道与我们的802.15.4信道会有潜在的冲突。在文献11 12也研究了这一问题。这里，我们同样用一个小实验来展示802.11网络如何影响WSNs信道。将8对Micaz节点紧密放置在有多路802.11网络的部门办公室里。每一对节点两两通过单一信道传送数据包。所有信道彼此正交。实验进行多次并测量数据包接收率。结果如图4所示，每一数据均列出标准差。可以看到仅有3
14、个信道(11,19,25)有好的链路质量（接收率超过90%），其余4路质量较差（接收率大约是60%）且不稳定（标准差较大）。这个实验表明多信道协议必须能够在可用信道数目较少的情况下工作。否则会在诸如室内场合应用中性能严重下降。B. 时间同步差错的影响 现有基于节点的多信道协议中另一个能显著影响性能的因素是时间同步差错。如前述，每一节点需要协同传输和信道切换。但低功耗的Micaz节点无法提供高的时间精度。其时钟漂移大约是40ppm(part-per-million)，意味着一秒之后的时漂可达40s。为研究时间差错的影响，我们用Micaz节点进行了一组实验。将5个节点放置在一条线上。第一个节点向最
15、后一个节点用一个接一个的方式传送数据包。每个节点单独使用一个信道。起始时所有节点同步。首先我们使用了一个简单的基于时隙的机制作为基于节点的协议。在这一机制中，10ms的时间段被分割为两个时隙。第一个时隙中奇数位置的节点切换信道并向下一结点发送数据包，第二时隙正好相反。改变数据源的数据速率，测量端到端的数据包接收率。实验结束后等待10分钟，不调整时间同步进行第二次试验，这次试验展示存在时间误差时基于节点的协议的性能。最后，调整所有节点使用同一信道，采用标准CSMA协议传送数据包。结果如图5所示。可以看出，没有时间差错时，基于节点的协议比单信道机制有更高的数据接收率。两种机制的饱和数据包接收率（数
16、据包接收率超过90%）分别是90msg/sec和 50msg/sec。另一方面，当出现时间差错时，基于节点的协议的包接收率很低。饱和数据包接收率大约是10msg/sec，意味着没有时间同步时，该协议仅能支持低速率端到端传输（大约3kb/s）。这一实验明确指出基于节点的协议能提高通信性能，但在时间差错存在时性能大幅下降。更进一步，这种下降会在有更长路径和更复杂坐标系的大规模密集网络中被放大。实验还指出基于节点的协议无法提供可靠稳定的高速数据传输。一个可能的解决方法是周期性的进行时间同步操作。对于上面的实验而言，节点需要至少每十分钟一次的频率的同步化调整以保证性能。然而，WSNs中的时间同步协议代价高昂且占用额外带宽和功率，这使得频繁同步化不切实际，特别是对于高速应用和大型密集网络。
