一种基于无线网络的多信道通信协议的应用研究

何玉辉

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳712000）

一种基于无线网络的多信道通信协议的应用研究

何玉辉

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳712000）

单信道网络通信协议在数据传输重叠相加时很容易造成较高的丢包率，特别是在无线传输领域，其局限性尤为突出。随着WSN网络的广泛应用，为了解决数据传输叠加带来的丢包率问题，在CTP协议基础上，来根据网络运行状态来动态的配置信道资源，从而获得多信道数据通信目标。在这个协议中，不仅从信道资源上提升了复用率，也从协议自身的能耗情况、协议在面对突发数据的吞吐量等方面进行了优化，延长了网络运行的生存时间，提升了无线网络数据传输稳定性。最后通过对基于Tinyos平台的数据测试，验证了本协议多项性能指标。

多信道协议；CTP协议；Tinyos；网络层；MAC层

近年来，无线网络技术获得了快速发展。然而，无论是蓝牙技术、WiFi技术，还是无线传感器网络在面对多种无线信号的重叠传输中，很容易出现高丢包率问题。不仅给网络通信带来影响，也降低了无线网络数据传输的稳定性。从CTP协议的定义来看，无线传感器在MAC层间的数据传输方式采用的单信道模式，对于传统无线传感器网络来说，当出现多重信号叠加传输时，由于MAC层协议在处理CSMA/CA（请求发送/清除）指令时，由于通信机制问题而带来高丢包率[1]。为此，从CTP协议基础上，将Tinyos无线传感器网络进行动态分配信道资源，以获得多信道通信需求。

文中在进行多信道协议设计上，将网络层与MAC层进行了数据协同，特别是通过创建新的多信道数据传输组件，当网络需求出现聚集时，面对高数据传输要求，会对信道资源进行动态分配。利用调整路由策略来改变网络层的数据传输负荷，并逐步优化信道传输质量[2]；当路由转换依然无法满足通信质量要求时，则启用多信道数据传输组件，来实训对信道的切换与分配功能[3]。也就是说，在执行数据传输请求过程中，当侦听到较远信道时，可以尝试进行数据信道请求，从而在网络层实现多个信道传输的目标，避免因CTP协议自身因素带来的请求冲突和丢包问题。

1 多信道动态配置协议的功能及设计目标

从无线传感器网络数据传输目标来说，多信道动态配置数据传输协议，其首要任务是对干扰的规避和优化，提升自身的抗干扰能力。由于我国公共频段上，无线传感器网络传输频率为2.4 GHz，在这个频段上，具有多种无线网络信号，如蓝牙数据信号、无线WiFi数据等[4]。由于这个频段中的WiFi信道带宽为WSN网络的4倍，在面对通信质量较低时，通常会自动跳转4个信道，由此带来的高频率的信道跳变方法，不仅具有更高的数据传输效率，也能够利用该跳变方式来减少其他信号的干扰，从而让WSN网络获得更高抗干扰特点[5]。同时，在无线传感器网络传输中，对于传输过程所耗散的能量，通常是满足WSN网络传输生存时间的关键。有学者提出从节省能量上来延长数据传输质量，也有学者从优化通信协议上来改变不同的算法[6]。

对于本文在面对数据繁忙时，在保障较高数据传输质量目标上，减少数据包的丢失率，从而选用多信道动态分配方式来增强网络传输效率。在本例后期的实验检验中，本协议不仅能够减少数据帧、信标帧的传输数量，还能大大缩短信息传输的通信时间，从而做到了节省能延长生存周期的通信目标。

2 多信道数据传输动态协议设计原理及架构

1）对信道进行动态划分的方法

由于在面对数据传输请求中，需要对根据协议来进行设定信道功能，为此，将信道分为数据传输信道和信号控制信道两种。由于在信道使用检测实验中，Kannan等人通过验证得出26信道的占用较少，其受到来自无线传输环境中的各类信号的干扰也最小[7]。因此，将26信道作为控制信道，主要从信道的预约、信标帧等信号的发送及回馈分析使用[8]。将11-25信道作为常用的数据动态分配的信道，即数据信道，主要负责无线数据传输请求和数据包的发送、转换等。

2）多信道数据传输握手机制研究

握手机制主要是针对网络数据传输前进行信道确定、数据请求、数据接收等信息交互的机制[9]。当某A节点发出数据或信标请求时，首先会在控制信道上进行广播，该消息获得具体的数据信道编号；之后，邻近节点B在收到广播消息后，从数据信道号信息进行反馈，当A节点获得B节点的信息后进行确认，两个节点会通过数据请求、应答、回馈、确认等过程来建立数据传输信道，并进行相应数据的收发任务。另外，当节点A发送数据结束后，重新回归侦听状态，并接收来自控制信道的广播信息，等待下次被激活；节点B在接收完相应数据后，也重新回到控制信道，并接收来自控制信道的数据广播请求。握手机制的设定，主要从满足数据请求、发送、接收、回馈等要求，以获得通信目标[10]。当网络传输面临较大数据量时，对于本无线传感器网络，可以从握手机制中来对不同节点的、不同数据请求进行回应，并从不同信道的使用中来进行数据传输，减少数据包的丢失、降低数据碰撞，既能够获得较高的数据传输率，还能节省通信能量，延长网络的生存周期。握手机制在数据信道请求、响应时的数据收发机制示意图。如图1所示。

图1 多信道数据传输握手机制交互响应示意图

3）协议设计中的抗干扰优化机制

从多信道动态配置中，针对数据传输协议目标，主要是为了获得稳定的数据传输质量，而抗干扰能力是确保数据网络传输的基本要求。因此，在面对无线传感器网络中多种信号重叠问题时，要从降低数据包的丢失率、减少数据重发次数上来降低传输时间，获得收发效率[11]。因此，对于网络中各节点间的数据信道占用问题，需要从路由策略中来提升构建抗干扰机制。对于信息传输中面临干扰后通常无法保障数据传输的正常进行，为了减少某一节点在数据信道使用中的被干扰影响，我们在协议中设置了一个ETX阈值。由于在CTP协议中，当信标帧在网络传输中遇到路由分配时，通常会形成新的路由信息，进而触发updataRouterTask（）任务，路由器会根据节点信息及请求，重新分配和选择最优邻居节点来建立数据链接[12]。对于邻近节点路径，其ETX值最小；当对该节点的ETX阈值与最优邻近节点的ETX值进行叠加后，将其与协议所设定的固定ETX阈值进行比较，当小于ETX阈值时，则表示路径选择为最优节点，可以满足数据传输质量要求；当大于ETX阈值时，则表示该路径无法实现成功通信，则应该放弃该信道，并进行重新发送信道请求，交由路由进行分配。此时，对于后续节点所选择的最优邻近ETX阈值，继续与固定阈值进行比较，当满足最优路径时，则建立数据链接，并进行数据的发送与接收；同时，对于放弃选择的数据信道，协议需要将之进行清空，待新的路由选择使用；否则，该节点在该信道进行数据传输时，则有可能造成数据包丢失；对于本信道中的信标帧或数据帧，如果在选择另一信道后，该节点的数据信息与父节点的某些被剔除的地址将会失效，同样需要从路由选择中获得新的数据通道，由此来降低其他数据请求带来的干扰。

4）协议设计中关于信道切换的组件及软件架构

从多信道协议设计中，对于CTP网络协议本身来说，需要进行适当改动，特别是在信道切换组件设计上，要能够体现本协议进行信道切换的方法，也就是说，对于信道切换组件的工作思路及程序架构进行细化和完成，以实现信道动态切换的目标。如图2所示。

图2 多信道动态切换协议架构工作原理及图示

从图2中可知，对于多信道动态分配方法的实现，需要就协议体系进行追加协调机制，特别是增加通道切换组件，以满足在协议环境下，来实现信道间的切换和保障信道的抗干扰能力[13]。在本协议切换组件中，新增4个动态配置函数，分别是ChangeDa（）函数、IsRfs（）函数、BeRfs（）函数及CloseSending（）函数。[14]在CTP网络传输环境中，当路由发出信道选择请求时，首先通过广播信息，对各信标等控制信息进行发送， 同时调用信道切换函数ChannelChange.IsRfs（），从信道状态侦测中来判断节点是否处于空闲。若处于空闲，则获得相应确认信息，并将数据信道数值利用BeRfs（）事件来完成触发，随之建立数据链接，完成相关信标帧和数据帧的传输；当节点完成数据接收任务后，再通过调用信道切换关闭发送函数ChannelChange.CloseSending（），重新回到控制信道。可见，在路由进行信道选择过程中，在满足多信道数据链路质量传输要求中，对于面临的干扰， 主要会通过调用 ChannelChange. ChangeDa（）来进行处理[15]。对于ChannelChange. ChangeDa（）函数，其功能有两种，一种是利用组件群Dissemination中的Update（）函数来进行更新，以获得对网络中其他节点Value.Changed（）函数值的切换，满足对传输信道的确定和反馈；另一种当节点收到数据信道质量不好时，则告知父节点新的信道值，并重新激活路由，进行计算出新的路径，完成与父节点的数据传输。在这一过程中，主要是通过链路估计器中的ChearDlQ（）函数和UpdateETX（）函数来完成，并与ChangeDa（）函数建立新的路由选择路径。

3 对本多信道动态切换协议进行实验验证

对于本协议的实验，主要通过对系统电源模块、网关板，以及CC2430射频模块进行检测；在实验方法上采用点对点实验和多点组网实验。

1）在点对点环境下的测试

从点对点环境下来进行试验，主要从3种情况来进行。第一种是无干扰环境下基于Tcp协议的单信道通信测试。当测试环境中不存在任何干扰时，对于数据采集系统中的RSSI值的显示较低，相应节点电压压降为0.069V，在没有干扰的条件下，数据采集电压、数据采集信号强度、数据传输速度非常快。第二种是受到其他信号的强烈干扰时，对于单信道通信环境下的发送节点与网关节点面临严重的丢包问题，在计算中测试获得25.6%的丢包率，可见，强干扰环境对单信道传输，因协议自身的抗干扰能力不足而致使丢包现象严重。从具体测试结果进行分析，由于无线传感器在WiFi占据信道过程中，很难对WSN数据包进行传输，特别是对于500个测试包，在干扰下通信耗时达34分钟，节点压降为0.158 V，可见，传输质量低，且通信能耗大是突出问题。对于第3种多信道动态通信协议优化下的数据传输，尽管也出现了丢包问题，但数据测试值为1.2%，节点压降比无干扰环境下的压降略微增高。可见，对于多信道动态分配协议，其丢包主要与环境下的干扰源有关，从而导致某些数据帧在发送中出现重复，但通信质量并未降低。

2）多点组网结构下的实验

多点组网结构是以依托一个网关、8个终端来实现分布式实验。对于终端不仅要发送数据包，还要承担路由功能；分为无干扰状态和强干扰状态；在干扰源上，采用3台笔记本进行大数据传输。结果显示，对于单信道协议模式下，无干扰状态数据传输质量、节点压降、丢包率较低；对于强干扰下，网络传输丢包率明显增加，说明WSN网络下数据包的退避机制因信道拥堵而降低了传输质量，同时带来高能耗；对于多信道协议下信息传输尽管有丢包现象，但丢包率不足1%，通信时间、能耗等相对较低。

4 结 论

从实验验证结果来看，多信道协议下的通信时间与单信道在干扰环境下的耗时明显缩短，且平均节点压降明显改善，可以得出在干扰环境下，多信道通信协议具有较高的通信质量。总的来看，对于多信道动态通信协议在信道切换上的设计，一方面对丢包率进行了改善，另一方面从传输耗时、耗能上大幅降低，也增强了节点的生存周期，提升了抗干扰能力，获得了数据传输稳定性目标。

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On the application of multi-channel communication protocol based wireless network

HE Yu-hui
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

Single-channel network communication protocol at the time of data transmission overlap-add is likely to cause higher loss rates， especially in the field of wireless transmission， especially its limitations.With the wide application of WSN networks，in order to solve the data transmission caused by packet loss problem is superimposed，on the basis of the CTP agreement to run the state according to the network to dynamically configure channel resources to obtain multi-channel data communication objectives.In this agreement，not only to enhance the channel resources from the reuse rate，but also from their own energy consumption protocol，the protocol has been optimized in the face of other aspects of the burst data throughput，extend the lifetime of the network running，lifting wireless network data transmission stability.Finally，based on data test Tinyos platform，verify the number of performance indicators of this Agreement.

multi-channel protocols；CTP protocols；tinyos；network layer protocols；MAC layer

TN92

A

1674－6236（2017）10-0154-04

2016-04-01稿件编号：201604012

何玉辉（1962—），男，陕西三原人，硕士，副教授。研究方向：计算机应用技术。