基于最小跳数的无线传感器网络跨层设计

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1、2010年10月沈阳航空工业学院学报第27卷第5期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineering0ct．2010V01．27No．5文章编号：1007—1385(2010)05—0052—05基于最小跳数的无线传感器网络跨层设计刘华艳1边婷婷2(1．辽宁大学信息科学与技术学院，辽宁沈阳110036；2．沈阳航空航天大学计算机学院，辽宁沈阳110136)摘要：传统的严格分层参考模型无法实现对无线传感器网络资源的有效管理和运用，跨层设计是提高网络整体性能的一种有效方法。针对无线传感器网络能

2、量、计算资源、存储资源和带宽资源有限的特点，提出一种基于最小跳数的路由层和MAC层的跨层协议设计方案。MAC层和路由层通过共享∞nsor节点到sink节点的最小跳数信息，在MAC层建立时间梯度，解决多个节点共享无线信道的问题；并在路由层建立路由表，解决路由选择问题。仿真结果表明，该方案在降低网络能耗的同时，在降低传输延迟，提高数据投递率方面也取得了良好的性能。关键词：无线传感器网络；跨层设计；最小跳数中图分类号：TP393．04文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—1385．2010．05．012无线传感器网络(Wi

3、relessSensorNetwork，WSN)是由大量密集布置在监控区域的智能传感器节点组成的网络系统⋯。WSN多工作于无人值守的工作环境中，特殊的工作环境使得传感器节点的能量限制成为传感器网络设计的瓶颈，它直接决定了网络的寿命。引。因此如何最大限度地延长网络寿命是WSN研究所面临的一个关键技术挑战。在无线传感器网络中，MAC层和网络层协议对于系统的性能具有显著的影响⋯。但是现有的许多适用于传感器网络的MAC协议与路由协议绝大部分都是采用传统分层设计的通用做法，虽然具有设计简化、网络稳定、兼容性好等优点，但协议栈各层往往关心不同的性能指标

4、，缺少层间交互和信息的共享利用，这种只针对一层协议栈进行设计的做法无法从整体上提升网络的性能，需要在体系结构的层面上给予系统性的考虑。因此，完全有必要采用不同的设计思想和理念来解决面向高度应用相关的WSN设计问题⋯。近年来，很多学者从跨层设计的角度研究网络协议栈层与层之间的优化问题旧。3J，如物理层和路由层的交互H】、MAC协议和路由的结合”q1等，以达到最理想的能量优化，在满足应用需要的前提下最大限度地延长WSN的生存周期。收稿日期：2010—08—10作者简介：刘华艳(1957一)，女，辽宁沈阳人，高级工程师，主要研究方向：计算机应用，

5、E—mail：liu—hua—yah@163．cos。本文从跨层设计的角度出发，提出了一种基于最小跳数的路由层和MAC层的跨层协议设计方案。MAC层和路由层通过共享Sensor节点到Sink节点的最小跳数信息，在MAC层设计TG—MAC协议为路由层提供服务，同时路由层根据TG—MAC协议服务特点，提出SPINH协议，这样把解决信道争用过程与路径选择过程结合在一起，合理解决MAC层信道共享方式和路由层的数据传输路径选择问题，实现了路由层和MAC层跨层设计。仿真结果表明，该方案在降低能耗，均衡能量，减少传输延迟和提高数据投递率方面均有良好的性能

6、，能有效延长网络生命周期。1跨层协议设计方案描述该协议设计方案分3个过程：首先确定sen—sor节点到sink节点最小跳数；然后根据最小跳数建立时间梯度，完成TG—MAC协议的设计，解决多个节点共享无线信道的问题；最后路由层在MAC层提供的信道共享方式服务的基础上，根据最小跳数信息，建立路由表，完成路径选择和发送数据的过程。1．1确定Sensor节点到Sink节点的最小跳数该过程开始时，Sink节点要向网络中广播网络重组消息／ml来通知网络中各个节点把自己的变量H(该变量用于记录节点自己到Sink节点的最小跳数)初始化为该变量类型能取到的最

7、大值，然后Sink节点把消息FANH(FrameofAsser-第4期刘华艳等：基于最小跳数的无线传感器网络跨层设计研究tingtheNumberofHops)记录的数值初始化为0并向网络中广播。网络中的Sensor节点如果收到该消息时，就把FANH消息中的值加l后跟自己的变量日的值比较，如果大于等于日的值，不做任何处理并放弃该消息，如果小于Ⅳ的值，把FANH中的值赋给日，转发FANH消息。这个过程执行后，网络中所有Sensor节点到Sink节点的最小跳数值就可以确定下来，并记录在变量日中。最小跳数确定后，如果网络中节点的相对位置不发生变化

8、，变量日的值就一直有效。1．2MAC协议(TG—MAC)在本方案的设计中，提出了建立在时间梯度上的TG—MAC(MACbaseontimegradient)协议。TG—MAC协议