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文章編號：１００８－０５７０（２００８）０２－１－０１３３－０２

傳感器與儀器儀表

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層通信協(xié)議的設(shè)計

ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｒｏｓｓ－ｌａｙｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ

（中國礦業(yè)大學(xué)徐州）張國霞

王潛平黃海談瑋郭永玲

ＺＨＡＮＧＧＵＯＸＩＡＷＡＮＧＱＩＡＮＰＩＮＧＨＵＡＮＧＨＡＩＴＡＮＷＥＩＧＵＯＹＯＮＧＬＩＮＧ

摘要：針對現(xiàn)有層次性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的不足，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信各層對跨層的需求，比較了現(xiàn)有跨層模型的優(yōu)缺點，對跨層模型原則和方法進行了討論，提出了跨層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模型，并在礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，對此模型進行了具體設(shè)計。新協(xié)議模型具有設(shè)計復(fù)雜度低，數(shù)據(jù)可靠性高以及實時性好的特點，，能夠滿足礦井監(jiān)測的特殊需求。

關(guān)鍵字：跨層設(shè)計；通信協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；礦井監(jiān)測

文獻標(biāo)識碼：Ａ中圖分類號：ＴＰ３９３

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｒｏｓｓ－

ｌａｙｅｒｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｌａｙｅｒｓｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｗａｓａｎａｌｙｓｅｄ．Ａｎｅｗｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｃｒｏｓｓ－ｌａｙｅｒｍｏｄｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃｒｏｓｓ－ｌａｙｅｒｍｏｄｅｄｅｓｉｇｎ．Ｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｌａｙｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｍｏｄｅｗａｓｇｉｖｅｎａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｏｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｍｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎｅｗｐｒｏｔｏｃｏｌｍｏｄｅｉｓｌｏｗｄｅｓｉｇｎｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ，ｈｉｇｈｄａｔａｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｗｅｌｌａｄａｐｔｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｒｏｓｓ－ｌａｙｅｒｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｉｎｅ

在礦井環(huán)境監(jiān)測中需要對礦井風(fēng)速、礦塵、溫度、濕度等參數(shù)進行檢測，通過實時監(jiān)測這些參數(shù)的變化，煤礦管理人員可以采取不同的技術(shù)措施�，F(xiàn)有的檢測系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)設(shè)通信線路，隨著礦井開采深度增加，對通信線路的延伸和維護提出了很高的要求，一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個監(jiān)測系統(tǒng)就可能癱瘓。為解決上述問題，可以使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行礦井環(huán)境的監(jiān)測，相比傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢�，F(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議一般設(shè)計為分層結(jié)構(gòu)，這種這種使各層相對簡單，層與層間獨立性強，有利于不同體系的網(wǎng)絡(luò)互連互通。然而相對于有線網(wǎng)絡(luò)，礦井下無線網(wǎng)絡(luò)有其自身特點，井下環(huán)境惡劣，其無線環(huán)境有很多不確定因素，分層設(shè)計方法無法保證傳輸數(shù)據(jù)的Ｑｏｓ需求。為了改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，ＭＡＣ協(xié)議、路由協(xié)議和傳輸協(xié)議，甚至應(yīng)用層必須與物理層進行有效的狀態(tài)信息交互，以適應(yīng)物理層的特性變化，所以我們提出對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行跨層設(shè)計。

層需要區(qū)分具體業(yè)務(wù)的類型，采取具有優(yōu)先級的調(diào)度機制，這種機制必須依據(jù)其上協(xié)議層的Ｑｏｓ需求信息和物理層的信道狀態(tài)信息。

技

術(shù)創(chuàng)新

１．３網(wǎng)絡(luò)層對跨層的需求

網(wǎng)絡(luò)層通過選擇路由把分組傳送到信宿，影響著ＭＡＣ層的ＱｏＳ及物理層的性能參數(shù)�，F(xiàn)有無線多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議大都采用最短路徑準(zhǔn)則設(shè)計，沒有考慮下層物理層信道特性的變化對ＭＡＣ層接入性能的影響等因素，造成所選路徑無法適應(yīng)低層性能的變化。

１無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對跨層

設(shè)計的需求

１．１物理層對跨層的需求

路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議等提供物理層主要向ＭＡＣ層協(xié)議、

本層的狀態(tài)參數(shù)，如信噪比（ＳＮＲ）、誤碼率（ＢＥＲ）和數(shù)據(jù)傳輸速率等，作為其他協(xié)議層優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。其發(fā)射功率及傳輸速率影響了ＭＡＣ層的接入控制及網(wǎng)絡(luò)層的路由選擇。

１．２ＭＡＣ層對跨層的需求

ＭＡＣ層主要負責(zé)無線信道的劃分及分配，它影響了網(wǎng)絡(luò)層的路由選擇。不同應(yīng)用背景Ｑｏｓ保證機制的提出，對于ＭＡＣ

張國霞：碩士生

基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金（ＢＫ－２００６０３９）ＰＬＣ技術(shù)應(yīng)用２００例》

１．４傳輸層對跨層的需求

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的移動可能導(dǎo)致通信鏈路的中斷，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。按傳統(tǒng)的ＴＣＰ機制，這將判決為因ＴＣＰ擁塞導(dǎo)致的結(jié)果，從而頻繁觸發(fā)ＴＣＰ超時重傳機制，導(dǎo)致ＴＣＰ性能下降。這在分層協(xié)議設(shè)計的原則下是不可避免的，因為ＴＣＰ協(xié)議層無法判定數(shù)據(jù)包丟失的真正原因。

１．５應(yīng)用層對跨層的需求

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，不同的的應(yīng)用有不同的Ｑｏｓ需求，像礦井監(jiān)測系統(tǒng)就對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性和可靠性有較高的需求。這種Ｑｏｓ保證機制就涉及到所有通信協(xié)議層。

２跨層設(shè)計的原理

２．１跨層設(shè)計

跨層設(shè)計就是使任意兩層之間能夠互相提供和利用有用信息，實現(xiàn)自適應(yīng)機制，使網(wǎng)絡(luò)各層共享與其它層相關(guān)的信息，對無線網(wǎng)絡(luò)進行整體設(shè)計。它并不是完全否定了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的五層模式，而是用綜合的方法來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，每層應(yīng)對本層的變化和其他層反饋的信息做出合理反應(yīng)，將分散在網(wǎng)絡(luò)各個子

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