何玉輝

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽712000）

一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的多信道通信協(xié)議的應(yīng)用研究

何玉輝

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽712000）

單信道網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸重疊相加時很容易造成較高的丟包率，特別是在無線傳輸領(lǐng)域，其局限性尤為突出。隨著WSN網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，為了解決數(shù)據(jù)傳輸疊加帶來的丟包率問題，在CTP協(xié)議基礎(chǔ)上，來根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)來動態(tài)的配置信道資源，從而獲得多信道數(shù)據(jù)通信目標。在這個協(xié)議中，不僅從信道資源上提升了復(fù)用率，也從協(xié)議自身的能耗情況、協(xié)議在面對突發(fā)數(shù)據(jù)的吞吐量等方面進行了優(yōu)化，延長了網(wǎng)絡(luò)運行的生存時間，提升了無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。最后通過對基于Tinyos平臺的數(shù)據(jù)測試，驗證了本協(xié)議多項性能指標。

多信道協(xié)議；CTP協(xié)議；Tinyos；網(wǎng)絡(luò)層；MAC層

近年來，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得了快速發(fā)展。然而，無論是藍牙技術(shù)、WiFi技術(shù)，還是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在面對多種無線信號的重疊傳輸中，很容易出現(xiàn)高丟包率問題。不僅給網(wǎng)絡(luò)通信帶來影響，也降低了無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。從CTP協(xié)議的定義來看，無線傳感器在MAC層間的數(shù)據(jù)傳輸方式采用的單信道模式，對于傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，當出現(xiàn)多重信號疊加傳輸時，由于MAC層協(xié)議在處理CSMA/CA（請求發(fā)送/清除）指令時，由于通信機制問題而帶來高丟包率[1]。為此，從CTP協(xié)議基礎(chǔ)上，將Tinyos無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)分配信道資源，以獲得多信道通信需求。

文中在進行多信道協(xié)議設(shè)計上，將網(wǎng)絡(luò)層與MAC層進行了數(shù)據(jù)協(xié)同，特別是通過創(chuàng)建新的多信道數(shù)據(jù)傳輸組件，當網(wǎng)絡(luò)需求出現(xiàn)聚集時，面對高數(shù)據(jù)傳輸要求，會對信道資源進行動態(tài)分配。利用調(diào)整路由策略來改變網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸負荷，并逐步優(yōu)化信道傳輸質(zhì)量[2]；當路由轉(zhuǎn)換依然無法滿足通信質(zhì)量要求時，則啟用多信道數(shù)據(jù)傳輸組件，來實訓(xùn)對信道的切換與分配功能[3]。也就是說，在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸請求過程中，當偵聽到較遠信道時，可以嘗試進行數(shù)據(jù)信道請求，從而在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)多個信道傳輸?shù)哪繕?，避免因CTP協(xié)議自身因素帶來的請求沖突和丟包問題。

1 多信道動態(tài)配置協(xié)議的功能及設(shè)計目標

從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸目標來說，多信道動態(tài)配置數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其首要任務(wù)是對干擾的規(guī)避和優(yōu)化，提升自身的抗干擾能力。由于我國公共頻段上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸頻率為2.4 GHz，在這個頻段上，具有多種無線網(wǎng)絡(luò)信號，如藍牙數(shù)據(jù)信號、無線WiFi數(shù)據(jù)等[4]。由于這個頻段中的WiFi信道帶寬為WSN網(wǎng)絡(luò)的4倍，在面對通信質(zhì)量較低時，通常會自動跳轉(zhuǎn)4個信道，由此帶來的高頻率的信道跳變方法，不僅具有更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，也能夠利用該跳變方式來減少其他信號的干擾，從而讓W(xué)SN網(wǎng)絡(luò)獲得更高抗干擾特點[5]。同時，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸中，對于傳輸過程所耗散的能量，通常是滿足WSN網(wǎng)絡(luò)傳輸生存時間的關(guān)鍵。有學(xué)者提出從節(jié)省能量上來延長數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，也有學(xué)者從優(yōu)化通信協(xié)議上來改變不同的算法[6]。

對于本文在面對數(shù)據(jù)繁忙時，在保障較高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量目標上，減少數(shù)據(jù)包的丟失率，從而選用多信道動態(tài)分配方式來增強網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。在本例后期的實驗檢驗中，本協(xié)議不僅能夠減少數(shù)據(jù)幀、信標幀的傳輸數(shù)量，還能大大縮短信息傳輸?shù)耐ㄐ艜r間，從而做到了節(jié)省能延長生存周期的通信目標。

2 多信道數(shù)據(jù)傳輸動態(tài)協(xié)議設(shè)計原理及架構(gòu)

1）對信道進行動態(tài)劃分的方法

由于在面對數(shù)據(jù)傳輸請求中，需要對根據(jù)協(xié)議來進行設(shè)定信道功能，為此，將信道分為數(shù)據(jù)傳輸信道和信號控制信道兩種。由于在信道使用檢測實驗中，Kannan等人通過驗證得出26信道的占用較少，其受到來自無線傳輸環(huán)境中的各類信號的干擾也最小[7]。因此，將26信道作為控制信道，主要從信道的預(yù)約、信標幀等信號的發(fā)送及回饋分析使用[8]。將11-25信道作為常用的數(shù)據(jù)動態(tài)分配的信道，即數(shù)據(jù)信道，主要負責無線數(shù)據(jù)傳輸請求和數(shù)據(jù)包的發(fā)送、轉(zhuǎn)換等。

2）多信道數(shù)據(jù)傳輸握手機制研究

握手機制主要是針對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸前進行信道確定、數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)接收等信息交互的機制[9]。當某A節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)或信標請求時，首先會在控制信道上進行廣播，該消息獲得具體的數(shù)據(jù)信道編號；之后，鄰近節(jié)點B在收到廣播消息后，從數(shù)據(jù)信道號信息進行反饋，當A節(jié)點獲得B節(jié)點的信息后進行確認，兩個節(jié)點會通過數(shù)據(jù)請求、應(yīng)答、回饋、確認等過程來建立數(shù)據(jù)傳輸信道，并進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。另外，當節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，重新回歸偵聽狀態(tài)，并接收來自控制信道的廣播信息，等待下次被激活；節(jié)點B在接收完相應(yīng)數(shù)據(jù)后，也重新回到控制信道，并接收來自控制信道的數(shù)據(jù)廣播請求。握手機制的設(shè)定，主要從滿足數(shù)據(jù)請求、發(fā)送、接收、回饋等要求，以獲得通信目標[10]。當網(wǎng)絡(luò)傳輸面臨較大數(shù)據(jù)量時，對于本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以從握手機制中來對不同節(jié)點的、不同數(shù)據(jù)請求進行回應(yīng)，并從不同信道的使用中來進行數(shù)據(jù)傳輸，減少數(shù)據(jù)包的丟失、降低數(shù)據(jù)碰撞，既能夠獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸率，還能節(jié)省通信能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。握手機制在數(shù)據(jù)信道請求、響應(yīng)時的數(shù)據(jù)收發(fā)機制示意圖。如圖1所示。

圖1 多信道數(shù)據(jù)傳輸握手機制交互響應(yīng)示意圖

3）協(xié)議設(shè)計中的抗干擾優(yōu)化機制

從多信道動態(tài)配置中，針對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議目標，主要是為了獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，而抗干擾能力是確保數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕疽?。因此，在面對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多種信號重疊問題時，要從降低數(shù)據(jù)包的丟失率、減少數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)上來降低傳輸時間，獲得收發(fā)效率[11]。因此，對于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間的數(shù)據(jù)信道占用問題，需要從路由策略中來提升構(gòu)建抗干擾機制。對于信息傳輸中面臨干擾后通常無法保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿M行，為了減少某一節(jié)點在數(shù)據(jù)信道使用中的被干擾影響，我們在協(xié)議中設(shè)置了一個ETX閾值。由于在CTP協(xié)議中，當信標幀在網(wǎng)絡(luò)傳輸中遇到路由分配時，通常會形成新的路由信息，進而觸發(fā)updataRouterTask（）任務(wù)，路由器會根據(jù)節(jié)點信息及請求，重新分配和選擇最優(yōu)鄰居節(jié)點來建立數(shù)據(jù)鏈接[12]。對于鄰近節(jié)點路徑，其ETX值最小；當對該節(jié)點的ETX閾值與最優(yōu)鄰近節(jié)點的ETX值進行疊加后，將其與協(xié)議所設(shè)定的固定ETX閾值進行比較，當小于ETX閾值時，則表示路徑選擇為最優(yōu)節(jié)點，可以滿足數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求；當大于ETX閾值時，則表示該路徑無法實現(xiàn)成功通信，則應(yīng)該放棄該信道，并進行重新發(fā)送信道請求，交由路由進行分配。此時，對于后續(xù)節(jié)點所選擇的最優(yōu)鄰近ETX閾值，繼續(xù)與固定閾值進行比較，當滿足最優(yōu)路徑時，則建立數(shù)據(jù)鏈接，并進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；同時，對于放棄選擇的數(shù)據(jù)信道，協(xié)議需要將之進行清空，待新的路由選擇使用；否則，該節(jié)點在該信道進行數(shù)據(jù)傳輸時，則有可能造成數(shù)據(jù)包丟失；對于本信道中的信標幀或數(shù)據(jù)幀，如果在選擇另一信道后，該節(jié)點的數(shù)據(jù)信息與父節(jié)點的某些被剔除的地址將會失效，同樣需要從路由選擇中獲得新的數(shù)據(jù)通道，由此來降低其他數(shù)據(jù)請求帶來的干擾。

4）協(xié)議設(shè)計中關(guān)于信道切換的組件及軟件架構(gòu)

從多信道協(xié)議設(shè)計中，對于CTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身來說，需要進行適當改動，特別是在信道切換組件設(shè)計上，要能夠體現(xiàn)本協(xié)議進行信道切換的方法，也就是說，對于信道切換組件的工作思路及程序架構(gòu)進行細化和完成，以實現(xiàn)信道動態(tài)切換的目標。如圖2所示。

圖2 多信道動態(tài)切換協(xié)議架構(gòu)工作原理及圖示

從圖2中可知，對于多信道動態(tài)分配方法的實現(xiàn)，需要就協(xié)議體系進行追加協(xié)調(diào)機制，特別是增加通道切換組件，以滿足在協(xié)議環(huán)境下，來實現(xiàn)信道間的切換和保障信道的抗干擾能力[13]。在本協(xié)議切換組件中，新增4個動態(tài)配置函數(shù)，分別是ChangeDa（）函數(shù)、IsRfs（）函數(shù)、BeRfs（）函數(shù)及CloseSending（）函數(shù)。[14]在CTP網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中，當路由發(fā)出信道選擇請求時，首先通過廣播信息，對各信標等控制信息進行發(fā)送， 同時調(diào)用信道切換函數(shù)ChannelChange.IsRfs（），從信道狀態(tài)偵測中來判斷節(jié)點是否處于空閑。若處于空閑，則獲得相應(yīng)確認信息，并將數(shù)據(jù)信道數(shù)值利用BeRfs（）事件來完成觸發(fā)，隨之建立數(shù)據(jù)鏈接，完成相關(guān)信標幀和數(shù)據(jù)幀的傳輸；當節(jié)點完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)后，再通過調(diào)用信道切換關(guān)閉發(fā)送函數(shù)ChannelChange.CloseSending（），重新回到控制信道?？梢?，在路由進行信道選擇過程中，在滿足多信道數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量傳輸要求中，對于面臨的干擾， 主要會通過調(diào)用 ChannelChange. ChangeDa（）來進行處理[15]。對于ChannelChange. ChangeDa（）函數(shù)，其功能有兩種，一種是利用組件群Dissemination中的Update（）函數(shù)來進行更新，以獲得對網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點Value.Changed（）函數(shù)值的切換，滿足對傳輸信道的確定和反饋；另一種當節(jié)點收到數(shù)據(jù)信道質(zhì)量不好時，則告知父節(jié)點新的信道值，并重新激活路由，進行計算出新的路徑，完成與父節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。在這一過程中，主要是通過鏈路估計器中的ChearDlQ（）函數(shù)和UpdateETX（）函數(shù)來完成，并與ChangeDa（）函數(shù)建立新的路由選擇路徑。

3 對本多信道動態(tài)切換協(xié)議進行實驗驗證

對于本協(xié)議的實驗，主要通過對系統(tǒng)電源模塊、網(wǎng)關(guān)板，以及CC2430射頻模塊進行檢測；在實驗方法上采用點對點實驗和多點組網(wǎng)實驗。

1）在點對點環(huán)境下的測試

從點對點環(huán)境下來進行試驗，主要從3種情況來進行。第一種是無干擾環(huán)境下基于Tcp協(xié)議的單信道通信測試。當測試環(huán)境中不存在任何干擾時，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的RSSI值的顯示較低，相應(yīng)節(jié)點電壓壓降為0.069V，在沒有干擾的條件下，數(shù)據(jù)采集電壓、數(shù)據(jù)采集信號強度、數(shù)據(jù)傳輸速度非常快。第二種是受到其他信號的強烈干擾時，對于單信道通信環(huán)境下的發(fā)送節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點面臨嚴重的丟包問題，在計算中測試獲得25.6%的丟包率，可見，強干擾環(huán)境對單信道傳輸，因協(xié)議自身的抗干擾能力不足而致使丟包現(xiàn)象嚴重。從具體測試結(jié)果進行分析，由于無線傳感器在WiFi占據(jù)信道過程中，很難對WSN數(shù)據(jù)包進行傳輸，特別是對于500個測試包，在干擾下通信耗時達34分鐘，節(jié)點壓降為0.158 V，可見，傳輸質(zhì)量低，且通信能耗大是突出問題。對于第3種多信道動態(tài)通信協(xié)議優(yōu)化下的數(shù)據(jù)傳輸，盡管也出現(xiàn)了丟包問題，但數(shù)據(jù)測試值為1.2%，節(jié)點壓降比無干擾環(huán)境下的壓降略微增高?？梢?，對于多信道動態(tài)分配協(xié)議，其丟包主要與環(huán)境下的干擾源有關(guān)，從而導(dǎo)致某些數(shù)據(jù)幀在發(fā)送中出現(xiàn)重復(fù)，但通信質(zhì)量并未降低。

2）多點組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的實驗

多點組網(wǎng)結(jié)構(gòu)是以依托一個網(wǎng)關(guān)、8個終端來實現(xiàn)分布式實驗。對于終端不僅要發(fā)送數(shù)據(jù)包，還要承擔路由功能；分為無干擾狀態(tài)和強干擾狀態(tài)；在干擾源上，采用3臺筆記本進行大數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)果顯示，對于單信道協(xié)議模式下，無干擾狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量、節(jié)點壓降、丟包率較低；對于強干擾下，網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率明顯增加，說明WSN網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)包的退避機制因信道擁堵而降低了傳輸質(zhì)量，同時帶來高能耗；對于多信道協(xié)議下信息傳輸盡管有丟包現(xiàn)象，但丟包率不足1%，通信時間、能耗等相對較低。

4 結(jié) 論

從實驗驗證結(jié)果來看，多信道協(xié)議下的通信時間與單信道在干擾環(huán)境下的耗時明顯縮短，且平均節(jié)點壓降明顯改善，可以得出在干擾環(huán)境下，多信道通信協(xié)議具有較高的通信質(zhì)量?？偟膩砜?，對于多信道動態(tài)通信協(xié)議在信道切換上的設(shè)計，一方面對丟包率進行了改善，另一方面從傳輸耗時、耗能上大幅降低，也增強了節(jié)點的生存周期，提升了抗干擾能力，獲得了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性目標。

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On the application of multi-channel communication protocol based wireless network

HE Yu-hui
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

Single-channel network communication protocol at the time of data transmission overlap-add is likely to cause higher loss rates， especially in the field of wireless transmission， especially its limitations.With the wide application of WSN networks，in order to solve the data transmission caused by packet loss problem is superimposed，on the basis of the CTP agreement to run the state according to the network to dynamically configure channel resources to obtain multi-channel data communication objectives.In this agreement，not only to enhance the channel resources from the reuse rate，but also from their own energy consumption protocol，the protocol has been optimized in the face of other aspects of the burst data throughput，extend the lifetime of the network running，lifting wireless network data transmission stability.Finally，based on data test Tinyos platform，verify the number of performance indicators of this Agreement.

multi-channel protocols；CTP protocols；tinyos；network layer protocols；MAC layer

TN92

A

1674－6236（2017）10-0154-04

2016-04-01稿件編號：201604012

何玉輝（1962—），男，陜西三原人，碩士，副教授。研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)。