无线传感器网络跨层通信协议的设计

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文章编号：１００８－０５７０（２００８）０２－１－０１３３－０２

传感器与仪器仪表

无线传感器网络跨层通信协议的设计

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（中国矿业大学徐州）张国霞

王潜平黄海谈玮郭永玲

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摘要：针对现有层次性无线传感器网络通信协议的不足，分析了无线传感器网络通信各层对跨层的需求，比较了现有跨层模型的优缺点，对跨层模型原则和方法进行了讨论，提出了跨层无线传感器网络通信协议模型，并在矿井环境监测系统中，对此模型进行了具体设计。新协议模型具有设计复杂度低，数据可靠性高以及实时性好的特点，，能够满足矿井监测的特殊需求。

关键字：跨层设计；通信协议；无线传感器网络；矿井监测

文献标识码：Ａ中图分类号：ＴＰ３９３

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｒｏｓｓ－ｌａｙｅｒｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｉｎｅ

在矿井环境监测中需要对矿井风速、矿尘、温度、湿度等参数进行检测，通过实时监测这些参数的变化，煤矿管理人员可以采取不同的技术措施。现有的检测系统需要在矿井内设通信线路，随着矿井开采深度增加，对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求，一旦通信链路发生故障，整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题，可以使用无线传感器网络进行矿井环境的监测，相比传统监测系统具有很多优势。现有传感器网络通信协议一般设计为分层结构，这种这种使各层相对简单，层与层间独立性强，有利于不同体系的网络互连互通。然而相对于有线网络，矿井下无线网络有其自身特点，井下环境恶劣，其无线环境有很多不确定因素，分层设计方法无法保证传输数据的Ｑｏｓ需求。为了改善无线传感器网络的性能，ＭＡＣ协议、路由协议和传输协议，甚至应用层必须与物理层进行有效的状态信息交互，以适应物理层的特性变化，所以我们提出对无线传感器网络通信协议进行跨层设计。

层需要区分具体业务的类型，采取具有优先级的调度机制，这种机制必须依据其上协议层的Ｑｏｓ需求信息和物理层的信道状态信息。

技

术创新

１．３网络层对跨层的需求

网络层通过选择路由把分组传送到信宿，影响着ＭＡＣ层的ＱｏＳ及物理层的性能参数。现有无线多跳网络路由协议大都采用最短路径准则设计，没有考虑下层物理层信道特性的变化对ＭＡＣ层接入性能的影响等因素，造成所选路径无法适应低层性能的变化。

１无线传感器网络通信协议对跨层

设计的需求

１．１物理层对跨层的需求

路由协议、传输层协议等提供物理层主要向ＭＡＣ层协议、

本层的状态参数，如信噪比（ＳＮＲ）、误码率（ＢＥＲ）和数据传输速率等，作为其他协议层优化设计的依据。其发射功率及传输速率影响了ＭＡＣ层的接入控制及网络层的路由选择。

１．２ＭＡＣ层对跨层的需求

ＭＡＣ层主要负责无线信道的划分及分配，它影响了网络层的路由选择。不同应用背景Ｑｏｓ保证机制的提出，对于ＭＡＣ

张国霞：硕士生

基金项目：江苏省自然科学基金（ＢＫ－２００６０３９）ＰＬＣ技术应用２００例》

１．４传输层对跨层的需求

在无线传感器网络中，节点的移动可能导致通信链路的中断，从而导致数据包丢失。按传统的ＴＣＰ机制，这将判决为因ＴＣＰ拥塞导致的结果，从而频繁触发ＴＣＰ超时重传机制，导致ＴＣＰ性能下降。这在分层协议设计的原则下是不可避免的，因为ＴＣＰ协议层无法判定数据包丢失的真正原因。

１．５应用层对跨层的需求

无线传感器网络是一种应用相关的网络，不同的的应用有不同的Ｑｏｓ需求，像矿井监测系统就对监测数据的实时性和可靠性有较高的需求。这种Ｑｏｓ保证机制就涉及到所有通信协议层。

２跨层设计的原理

２．１跨层设计

跨层设计就是使任意两层之间能够互相提供和利用有用信息，实现自适应机制，使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。它并不是完全否定了传统无线网络的五层模式，而是用综合的方法来适应网络的动态性，每层应对本层的变化和其他层反馈的信息做出合理反应，将分散在网络各个子

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