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
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[1],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 [2]。现有传感器网络通信协议一般设计为分层结构[3]，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 [4] ，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。
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
物理层主要向MAC层协议、路由协议、传输层协议等提供本层的状态参数,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[5]。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。
1.2 MAC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
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。
1.4 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 [4]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层的特性参数协调融合。因此，所有层间可以交互信息，使得协议栈能够以全局的方式适应特定应用所需的QoS保证和网络状况的变化，并根据系统的约束条件和网络特征来进行综合优化，实现对网络资源的有效分配，提高网络的综合性能。
2.2 现有跨层模型比较
现有跨层模型有数据报报头信息机制、ICMP报文机制、本地特性信息机制、MobileMan跨层方案、WCI服务器机制、CLASS(Cross一LayerSignalling Shotrcuts)方案。其优缺点可以通过表1所示：
表1跨层模型比较
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模型 |
数据报报头信息 |
ICMP报文 |
本地特性信息 |
MobileMan |
WCI |
CLASS |
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优点 |
易于实现；
开销小 |
易于实现；开销较小； |
灵活性好；开销较小 |
灵活性较好；开销较小 |
对原有协议栈影响小，适合作为补充手段 |
灵活性很好，传输信息量很小 |
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缺点
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数据冗余大；层层传输;效率较低 |
单向层层传输;效率较低 |
文件读取处理过程较 长;延时较大 |
实现复杂;对原有协议栈影响很大 |
开销较大; 延时也很大 |
实现复杂，外部消息格式需要标准化 |
3 跨层通信协议设计
3.1 跨层通信协议体系结构设计
由于跨层设计必须遵循的一个原则是依据一种可靠的、可长期利用的参考模型。又由于无线传感器网络中节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，就决定了其上运行的网络协议不能太复杂。所以我们在设计无线传感器网络通信协议时，考虑到以下几个方面：(1)对原有通信协议栈的影响尽可能小；(2)开销尽可能小；(3)针对不同应用的Qos需求，使用不同的优化尺度。设计跨层通信协议模型如图1所示：协调管理器实时地采集应用层的Qos需求信息并计算出Qos参数，根据Qos参数调整其他各层的相关状态，并将这些状态变量放到状态信息库中。其他各层通过共享状态信息库中的信息，进行自适应调整，同时为应用层提供相应的参数变化。
图1跨层通信协议模型
3.1.1 分层的网络通信协议
由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道的选择、无线信号的监测、发送与接收等；数据链路层的主要功能是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络显现为一条无错链路；网络层的的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等；传输层负责数据流的传输控制，提供可靠的、开销合理的数据传输服务；应用层主要给用户提供一个接口，不同的应用有相异的应用协议。
3.1.2 Qos参数
由于无线传感器网络是一种应用相关的网络，不同的应用环境，其终端用户所承载的业务类型、业务流量、优先级等不同，而其Qos参数，如时延抖动、丢包率、吞吐率、传输时延、误码率等也不同。Qos保证涉及到所有协议层，即每个协议层相应参数的设置都涉及到Qos能否得到保证。一般来说应用层根据要实现的性能参数向相应的层次传递要实现的 QoS 要求。只要延迟和抖动足够小，实时业务允许较高的包丢失率或误码率，非实时业务则相反。各个层次接收到 QoS 要求信息后便进行相应的自适应调整。同时各层为应用层提供相应参数的变化，以实现应用层的自适应变化。为实现节约成本、能量或资源的目的，只要能够满足性能参数最小或最大值的要求，应用层可以在各个层间折衷考虑某一参数。
3.1.3 协调管理器
即在传统的分层协议结构之外设计一个逻辑上的独立实体,可以看作一段控制程序，它的主要功能包括：
(1)根据应用层的Qos需求信息参数，定期在其它各个层间折中考虑某些因素进行计算，根据计算结果调整协调平面里的状态变量。比如说可以计算传输层的拥塞程度，网络层的路径信息和拓扑信息，数据链路层的业务队列信息，物理层的时间同步信息等，根据计算结果调整拥塞、路径等状态变量。
(2)采集协调平面里的状态变量。比如传输层的端到端吞吐率和延时、链路层的节点吞吐率、物理层的剩余带宽等，反馈给其他所需要的协议层。
3.1.4 状态信息库
作为一个存储场所，存储整个网络各协议层收集到的信息，即会影响到其他各层的一些相关参数。比如说物理层的信号发射功率这样一个参数，它影响到物理层、链路层、网络层、传输层等层的性能以及系统的功耗。它的大小决定了接收端的信号质量，也就影响到了物理层的性能参数；它的大小也决定了信号的传输距离，也就影响到了网络层的路由选择；同时它的大小决定了它对其它接收机的干扰大小及网络的拥塞情况，也就影响了 MAC 层的接入控制及传输层的传输控制。
3.2 在矿井监测系统中的应用设计
将我们提出的跨层通信模型应用到矿井监测系统中，具体的Qos参数包括：时延抖动小、丢包率小、传输时延小、误码率低等。针对这些Qos需求，确定网络状态信息库包括：信噪比、误码率、发射功率、传输速率、信源可用带宽、分组延迟、前向纠错、媒介空闲/忙信息、传输时延、吞吐率、可靠性、路由信息、拥塞信息。协调管理器根据Qos参数，折中考虑某些因素进行计算，采集协调平面里的状态变量，反馈给其他层次，包括：减少响应数据量ACK pacing、SACK、Delayed-ACK、检测路由中断，进入“冻结状态”，停止发送数据、为数据流和响应流选择不同的路径减少信道竞争（仅适用于负载较小的网络、预测将要发生的路由改变，根据路由准则[6]提前选择备用路由、对TCP-ACK以及UDP采用无保障方式传输、误码率自动调整前向纠错能力等。
4 小结
无线传感器网络是一种自组织对等无线网络，这种网络通过降低数据吞吐量、增大消息延迟换取了比传统无线网络低的成本和功耗。为了满足成本、功耗、和性能方面的各种要求，必须合理地设计其通信协议。本文针对无线传感器网络的特殊需要，提出了跨层的通信协议模型，对该模型进行了具体的分析与设计，并针对矿井监测的具体环境，对其进行了设计，该模型能满足不同应用环境的需求。
参考文献：
[1] 钱春丽,张兴敢.用于矿井环境监测的无线传感器网络.电子技术应用,2006(9):21-23.
[2] 孙利民等编著.无线传感器网络.北京:清华大学出版社,2005;
[3] 任丰原,黄海宁,林 闯.无线传感器网络.软件学报,2003,14(7):1282-1291.
[4] 罗明胜,黄联芬,姚彦. 无线网络跨层设计的研究现状及展望. 移动通信, 2005.7：95-98
[5] 马忠建.无线Mesh网络的跨层设计研究与仿真分析.硕士。西南交通大学。2006[硕士论文]
[6] 张世庆,孙超,张西良,朱琪美. 无线传感器网络高能效分簇路由算法[J], 微计算机信息,2006,11-1,202-204。
本文作者创新点：针对现有无线传感器网络通信协议的不足，提出了跨层的无线传感器网络通信协议模型，对该模型进行了具体的分析与设计。该协议模型使网络各层共享与其它层相关的信息，所有层间可以交互信息，使得协议栈能够以全局的方式适应特定应用所需的QoS保证和网络状况的变化，具有设计复杂度低、实时性好、应用相关性等特点，能够满足无线传感器网络的特殊需求。