一種基于無線網絡的多信道通信協議的應用研究

何玉輝

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽712000）

一種基于無線網絡的多信道通信協議的應用研究

何玉輝

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽712000）

單信道網絡通信協議在數據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域，其局限性尤為突出。隨著WSN網絡的廣泛應用，為了解決數據傳輸疊加帶來的丟包率問題，在CTP協議基礎上，來根據網絡運行狀態來動態的配置信道資源，從而獲得多信道數據通信目標。在這個協議中，不僅從信道資源上提升了復用率，也從協議自身的能耗情況、協議在面對突發數據的吞吐量等方面進行了優化，延長了網絡運行的生存時間，提升了無線網絡數據傳輸穩定性。最后通過對基于Tinyos平臺的數據測試，驗證了本協議多項性能指標。

多信道協議；CTP協議；Tinyos；網絡層；MAC層

近年來，無線網絡技術獲得了快速發展。然而，無論是藍牙技術、WiFi技術，還是無線傳感器網絡在面對多種無線信號的重疊傳輸中，很容易出現高丟包率問題。不僅給網絡通信帶來影響，也降低了無線網絡數據傳輸的穩定性。從CTP協議的定義來看，無線傳感器在MAC層間的數據傳輸方式采用的單信道模式，對于傳統無線傳感器網絡來說，當出現多重信號疊加傳輸時，由于MAC層協議在處理CSMA/CA（請求發送/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協議基礎上，將Tinyos無線傳感器網絡進行動態分配信道資源，以獲得多信道通信需求。

文中在進行多信道協議設計上，將網絡層與MAC層進行了數據協同，特別是通過創建新的多信道數據傳輸組件，當網絡需求出現聚集時，面對高數據傳輸要求，會對信道資源進行動態分配。利用調整路由策略來改變網絡層的數據傳輸負荷，并逐步優化信道傳輸質量[2]；當路由轉換依然無法滿足通信質量要求時，則啟用多信道數據傳輸組件，來實訓對信道的切換與分配功能[3]。也就是說，在執行數據傳輸請求過程中，當偵聽到較遠信道時，可以嘗試進行數據信道請求，從而在網絡層實現多個信道傳輸的目標，避免因CTP協議自身因素帶來的請求沖突和丟包問題。

1 多信道動態配置協議的功能及設計目標

從無線傳感器網絡數據傳輸目標來說，多信道動態配置數據傳輸協議，其首要任務是對干擾的規避和優化，提升自身的抗干擾能力。由于我國公共頻段上，無線傳感器網絡傳輸頻率為2.4 GHz，在這個頻段上，具有多種無線網絡信號，如藍牙數據信號、無線WiFi數據等[4]。由于這個頻段中的WiFi信道帶寬為WSN網絡的4倍，在面對通信質量較低時，通常會自動跳轉4個信道，由此帶來的高頻率的信道跳變方法，不僅具有更高的數據傳輸效率，也能夠利用該跳變方式來減少其他信號的干擾，從而讓WSN網絡獲得更高抗干擾特點[5]。同時，在無線傳感器網絡傳輸中，對于傳輸過程所耗散的能量，通常是滿足WSN網絡傳輸生存時間的關鍵。有學者提出從節省能量上來延長數據傳輸質量，也有學者從優化通信協議上來改變不同的算法[6]。

對于本文在面對數據繁忙時，在保障較高數據傳輸質量目標上，減少數據包的丟失率，從而選用多信道動態分配方式來增強網絡傳輸效率。在本例后期的實驗檢驗中，本協議不僅能夠減少數據幀、信標幀的傳輸數量，還能大大縮短信息傳輸的通信時間，從而做到了節省能延長生存周期的通信目標。

2 多信道數據傳輸動態協議設計原理及架構

1）對信道進行動態劃分的方法

由于在面對數據傳輸請求中，需要對根據協議來進行設定信道功能，為此，將信道分為數據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，主要從信道的預約、信標幀等信號的發送及回饋分析使用[8]。將11-25信道作為常用的數據動態分配的信道，即數據信道，主要負責無線數據傳輸請求和數據包的發送、轉換等。

2）多信道數據傳輸握手機制研究

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

圖1 多信道數據傳輸握手機制交互響應示意圖

3）協議設計中的抗干擾優化機制

從多信道動態配置中，針對數據傳輸協議目標，主要是為了獲得穩定的數據傳輸質量，而抗干擾能力是確保數據網絡傳輸的基本要求。因此，在面對無線傳感器網絡中多種信號重疊問題時，要從降低數據包的丟失率、減少數據重發次數上來降低傳輸時間，獲得收發效率[11]。因此，對于網絡中各節點間的數據信道占用問題，需要從路由策略中來提升構建抗干擾機制。對于信息傳輸中面臨干擾后通常無法保障數據傳輸的正常進行，為了減少某一節點在數據信道使用中的被干擾影響，我們在協議中設置了一個ETX閾值。由于在CTP協議中，當信標幀在網絡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updataRouterTask（）任務，路由器會根據節點信息及請求，重新分配和選擇最優鄰居節點來建立數據鏈接[12]。對于鄰近節點路徑，其ETX值最小；當對該節點的ETX閾值與最優鄰近節點的ETX值進行疊加后，將其與協議所設定的固定ETX閾值進行比較，當小于ETX閾值時，則表示路徑選擇為最優節點，可以滿足數據傳輸質量要求；當大于ETX閾值時，則表示該路徑無法實現成功通信，則應該放棄該信道，并進行重新發送信道請求，交由路由進行分配。此時，對于后續節點所選擇的最優鄰近ETX閾值，繼續與固定閾值進行比較，當滿足最優路徑時，則建立數據鏈接，并進行數據的發送與接收；同時，對于放棄選擇的數據信道，協議需要將之進行清空，待新的路由選擇使用；否則，該節點在該信道進行數據傳輸時，則有可能造成數據包丟失；對于本信道中的信標幀或數據幀，如果在選擇另一信道后，該節點的數據信息與父節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據通道，由此來降低其他數據請求帶來的干擾。

4）協議設計中關于信道切換的組件及軟件架構

從多信道協議設計中，對于CTP網絡協議本身來說，需要進行適當改動，特別是在信道切換組件設計上，要能夠體現本協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進行細化和完成，以實現信道動態切換的目標。如圖2所示。

圖2 多信道動態切換協議架構工作原理及圖示

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

3 對本多信道動態切換協議進行實驗驗證

對于本協議的實驗，主要通過對系統電源模塊、網關板，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實驗。

1）在點對點環境下的測試

從點對點環境下來進行試驗，主要從3種情況來進行。第一種是無干擾環境下基于Tcp協議的單信道通信測試。當測試環境中不存在任何干擾時，對于數據采集系統中的RSSI值的顯示較低，相應節點電壓壓降為0.069V，在沒有干擾的條件下，數據采集電壓、數據采集信號強度、數據傳輸速度非常快。第二種是受到其他信號的強烈干擾時，對于單信道通信環境下的發送節點與網關節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，強干擾環境對單信道傳輸，因協議自身的抗干擾能力不足而致使丟包現象嚴重。從具體測試結果進行分析，由于無線傳感器在WiFi占據信道過程中，很難對WSN數據包進行傳輸，特別是對于500個測試包，在干擾下通信耗時達34分鐘，節點壓降為0.158 V，可見，傳輸質量低，且通信能耗大是突出問題。對于第3種多信道動態通信協議優化下的數據傳輸，盡管也出現了丟包問題，但數據測試值為1.2%，節點壓降比無干擾環境下的壓降略微增高。可見，對于多信道動態分配協議，其丟包主要與環境下的干擾源有關，從而導致某些數據幀在發送中出現重復，但通信質量并未降低。

2）多點組網結構下的實驗

多點組網結構是以依托一個網關、8個終端來實現分布式實驗。對于終端不僅要發送數據包，還要承擔路由功能；分為無干擾狀態和強干擾狀態；在干擾源上，采用3臺筆記本進行大數據傳輸。結果顯示，對于單信道協議模式下，無干擾狀態數據傳輸質量、節點壓降、丟包率較低；對于強干擾下，網絡傳輸丟包率明顯增加，說明WSN網絡下數據包的退避機制因信道擁堵而降低了傳輸質量，同時帶來高能耗；對于多信道協議下信息傳輸盡管有丟包現象，但丟包率不足1%，通信時間、能耗等相對較低。

4 結 論

從實驗驗證結果來看，多信道協議下的通信時間與單信道在干擾環境下的耗時明顯縮短，且平均節點壓降明顯改善，可以得出在干擾環境下，多信道通信協議具有較高的通信質量。總的來看，對于多信道動態通信協議在信道切換上的設計，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，也增強了節點的生存周期，提升了抗干擾能力，獲得了數據傳輸穩定性目標。

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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：計算機應用技術。