高效可行多信道无线传感器网络通信

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1、-高效可行的多信道无线传感器网络通信YafengWu,JohnA.Stankovic,TianHe,andShanLinComputerScienceDepartment,UniversityofVirginia,{yw5s,stankovic,sl8yc}@cs.virginia.eduDepartmentofComputerScienceandEngineering,UniversityofMinnesota,tianhe@cs.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（WirelessSensorNetworks，WSNs）的通信

2、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

3、网络吞吐量并降低数据包丢失。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（WirelessSensorNetworks，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”（Earsontheground）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

4、Telos所使用的CC2420接收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，MMSN[2]，TMMAC[3]和MCMAC[4]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

5、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-basedMulti-ChannelProtocol，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

6、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

7、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，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

8、的不同节点