Rethinking Multi-Channel Protocols in Wireless Sensor Networks
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Chieh-Jan Mike Liang Department of Computer Science Johns Hopkins University cliang4@cs.jhu.edu |
Andreas Terzis Department of Computer Science Johns Hopkins University terzis@cs.jhu.edu |
Abstract
The availability of multiple frequency channels on modern radios has provided a way to improve networking performance. Nevertheless, current multi-channel protocols lack the architectural consistency and flexibility to support a diverse set of applications. In this paper we argue that it is necessary to integrate channel switching to the emerging wireless sensor network architecture and propose a way to decompose the problem into two reusable components: the channel allocation component that is integrated with network layer protocols and a shared channel synchronization component at the MAC layer. Furthermore, we outline how existing multi-channel protocols can be re-factored to comply with the proposed architecture and present ViR, an initial implementation of the channel synchronization component. Finally, using realistic applications synthesized from existing protocols, we show how ViR reduces conflicts among protocols and reduces packet losses.
Categories and Subject Descriptors
C.2.2 [Computer-Communication Networks]: Network Protocols—Routing protocols; D.4.7 [Operating System]: Organization and Design—Real-time systems and embedded systems
General Terms
Design, Experimentation, Standardization
Keywords
Sensor Networks, Protocol Architecture, Network Abstraction, Radio Virtualization
Introduction
Modern radios used in wireless sensor networks, such as those that implement the IEEE 802.15.4 PHY standard [5], can operate in multiple frequency bands. Previous work has shown that this capability can be used to increase the
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throughput of WSNs [16], reduce intra-network interference [9, 18], and reduce the impact of external interference to WSNs [11]. Despite these benefits, the mechanisms proposed thus far are implemented at different layers of the protocol stack, are incompatible, make assumptions about the applicationsrsquo; characteristics, and do not support multiple applications at the same time.
In this paper we argue that it is time to rethink how multi-channel protocols are engineered and reach a consensus about how they fit in the emerging WSN architecture [2, 6, 10]. Such an agreement will promote interoperability and code reuse and is likely to simplify the development of applications that will benefit from radio channel diversity. The additional challenge is to do this integration with minimal disruption to the existing protocol stack and application archetypes.
We posit that multi-channel protocols can be factored into two different components: a Channel Allocation (CA) component responsible for allocating one or more frequency channels to upper layers and a Channel Synchronization (CS) component that determines the time interval that a node should switch its radio to a certain channel. Network-level protocols can include their own CA components, allowing them to express specific ways of using frequency channels. For example, real-time network protocols can reduce data delivery latency due to channel switching by switching all nodes over an end-to-end network path to the same channel. On the other hand, a single CS component is implemented at the MAC layer that exposes the same MAC-layer interface and augments it with a minimal interface for using multiple frequency channels.
We describe a straw man implementation of the proposed components and outline how existing multi-channel protocols can be re-factored along these lines. Finally, we show how the proposed architecture can be used to virtualize the radio among multiple network layer protocols that run concurrently on the same mote.
Background
Benefits of Using Multiple Channels
We group multi-channel protocols into three categories based on their primary purpose for using multiple frequency channels.
Improve network throughput. Wu et al. proposed the TMCP multi-channel tree collection protocol and observed that the network throughput doubled as the number of available channels increased from two to eight [16]. Zhang et al. proposed the TMMAC MAC protocol and showed that it achieved seven times the throughput of the standard 802.11 DCF protocol in a simulated network with 40 concurrent flows when six channels were available [17].
Minimize intra-network interference. Since the radio is a shared medium, concurrent transmissions in the same broadcast domain result in collisions and possibly packet losses. Wu et al. presented empirical results suggesting that 802.15.4 radios have a maximum of eight orthogonal channels[1] [16]. Zhou et al. [18] and Liang et al. [9] used channel diversity to reduce the number of conflicting transmissions. The latter work also observed that channel diversity promotes spatial reuse and reduces the latency of networkwide dissemination.
Avoid external interference. Considering that multiple radio standards operate in the same unlicensed frequency bands (e.g., 8
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附录A 译文
无线传感器网络中多信道协议的再思考
1 简介
在无线传感器网络中使用的现代无线电，例如那些实现IEEE802.15.4phy标准的无线电，可以在多个频段工作。以往的研究表明，这种能力可以提高无线传感器的吞吐量，减少网络内的干扰，减少外部干扰对无线传感器的影响。尽管有这些好处，但迄今为止提出的机制是在协议栈的不同层实现的，不兼容，对应用程序的特性进行假设，并且不同时支持多个应用程序。
在本文中，我们认为是时候重新考虑如何设计多通道协议，并就它们如何适合新兴的WSN体系结构达成共识。这样的协议将促进互操作性和代码重用，并有可能简化从无线信道多样性中受益的应用程序的开发。另外一个挑战是在对现有协议栈和应用程序原型进行最小中断的情况下进行这种集成。
我们假设多信道协议可以分解为两个不同的部分：负责将一个或多个频率信道分配给上层的信道分配（CA）组件和确定节点应将其无线电切换到某个信道的时间间隔的信道同步（CS）组件。网络级协议可以包含自己的CA组件，允许它们表示使用频率通道的特定方式。例如，通过将端到端网络路径上的所有节点切换到同一个通道，实时网络协议可以减少由于通道切换而导致的数据传递延迟。另一方面，在MAC层上实现了一个单一的CS组件，该组件公开了相同的MAC层接口，并通过使用多个频率通道的最小接口对其进行扩充。
我们描述了提议的组件的一个草人实现，并概述了如何沿着这些线重新考虑现有的多通道协议。最后，我们展示了如何使用所提出的架构来虚拟化多个网络层协议之间的无线电，这些协议同时在同一个mote上运行。
2背景
2.1使用多个渠道的好处
我们根据多频信道的主要用途将多信道协议分为三类。
提高网络吞吐量。吴等人提出了TMCP多通道树收集协议，发现随着可用通道数从2个增加到8个，网络吞吐量增加了一倍。张等。提出了tmmac-mac协议，并在一个具有40个并行流的模拟网络中，当有6个信道可用时，该协议的吞吐量是标准802.11 dcf协议的7倍。
尽量减少网络内干扰。由于无线电是一种共享媒体，同一广播域中的并发传输会导致冲突，并可能导致数据包丢失。吴等人，给出了经验结果，表明802.15.4无线电最多有八个正交信道。周以及亮等人使用信道分集减少冲突传输的数量。后者的研究还发现，信道多样性促进了空间复用，并降低了网络范围传播的延迟。
避免外部干扰。考虑到多个无线电标准在同一个未经许可的频段（如802.11、802.15.4和802.15.1均在2.4 GHz频段内运行）中运行，信道分集是减轻配置网络间外部干扰的一种方法。Wirelesshart标准提供了这种方法的示例。它采用了一种TDMA协议，其中节点在每个时隙开始时切换其射频。频率选择基于当前时隙索引和两个通信节点共享的秘密信道偏移量。
2.2当前多通道协议的局限性
虽然第2.1节中的讨论表明通道多样性可以提高性能，但我们认为，当前的方法缺乏灵活性和通用性，无法支持不同的应用程序需求。
缺乏架构一致性。基于开发和部署无线传感器网络应用程序的经验，无线传感器网络体系结构开始出现。然而，对于信道交换在体系结构中属于何处以及它如何与协议栈的其余部分进行接口，还没有达成共识。现有的多通道协议大多在集成到网络层协议的MAC层实现。反过来，这种协议的缺乏阻碍了代码重用和协议互操作性。
限制性应用假设。现有的多通道协议通常假定应用程序行为简单化——最常见的是流量恒定的数据收集。例如，Le等人提出了一种多通道MAC协议，该协议针对收集和聚合流量模式进行了优化。但是，支持扩展的应用程序环境需要一个多通道框架，该框架可以支持多种流量模式和QoS级别。
图1 多通道协议的提议分解和接口
单片应用。经过十年的积极开发，许多WSN协议的开源实现已经公开。这种可用性使得组成多个网络协议的应用程序的开发能够实现其逻辑。例如，可以将数据收集协议与传播协议结合起来，以实现具有动态重新捕获功能的环境监测应用程序。然而，正如Choi等人指出，运行多个协议的应用程序可能会遇到协议间冲突。例如，在同一节点上运行的两个协议可以独立地决定切换到两个不同的通道，从而导致其中一个协议的数据包丢失。相反，多通道协议应该支持多个并发的上层协议，并自动解决这些冲突（例如，通过在两个通道之间切换）。
3．多通道协议框架
第2节认为，我们需要一种一致的方法来将频率分集集成到无线传感器网络体系结构中。这样做需要解决三个挑战。首先，我们需要识别并将多通道协议所需的紧密耦合函数分组到可重用组件中。第二，我们应该以利用现有体系结构组件功能的方式构造和定位这些组件。最后，定义一组可用于实现不同网络协议和端到端应用程序的最小接口。
3.1体系结构概述
我们建议将多信道协议分解为信道分配（CA）组件和信道同步（CS）组件。CA组件的目标是以优化应用程序特定指标（如网络吞吐量）的方式将一个或多个通道分配给网络节点。CS组件控制收音机何时应切换到每个CA选择的频道，以便节点可以彼此通信。CS组件应该根据延迟和能量使用等数据交付指标来制定这些调度决策。
与现有的在网络层或MAC层实现多通道协议的工作相反，我们提出了一种跨层方法，将CA组件定位在网络层上，将CS组件定位在MAC层上。
我们允许每个网络协议实现自己的CA组件有两个原因。首先，由于不同的网络层协议有不同的需求集，所以一个通用的CA组件不适用于所有用例。第二，由于CA组件是协议的一部分，它可以访问协议的节点状态和协议对等方之间交换的信息。
另一方面，每个MAC协议只有一个CS组件，它与网络层的所有CA组件交互。这种设计有两个优点。作为所有无线电控制和I/O请求的单一入口点，CS组件对无线电请求具有可见性，以解决可能的协议间冲突。此外，CS组件可以利用MAC层功能向下一个跃点邻居传递消息。这些功能包括邻里状态维护和链路级确认。
将多通道协议分解为CA和CS组件类似于Internet中路由和转发平面的分离；CA组件和路由平面在网络范围内进行决策，而CS组件类似于转发平面，实现将数据包转发到下一个跃点所需的机制。
图1说明了拟议的CA和CS组件在WSN体系结构中的位置。下面的部分描述这些组件公开和使用的接口。
3.2组件接口
MAC层向上层提供三种基本服务：发送数据包、接收数据包以及打开和关闭无线电。CS组件最小限度地扩展了这个狭窄的接口，允许上层利用多个无线信道的优势。同时，CS组件的存在对于不可知多个无线电频率可用性的遗留协议是透明的。
我们将新的CS接口分为CA组件使用的接口（sect;3.2.1）和网络层协议可以用来提高性能的接口（sect;3.2.2）。我们注意到，虽然我们使用NESC来描述Tinyos兼容的接口，但它们并不特定于Tinyos。
3.2.1 CA组件的接口
频道预订。ChannelReservation接口提供两种服务。首先，CA组件可以发出numchannels（）命令来检索可用的无线电频道数。其次，reserve channel（）命令允许CA组件在本地节点上保留通道。由于CS组件截获所有无线电控制请求，如果CA组件尝试切换到以前保留的通道，则请求将失败并返回适当的错误代码。
interface ChannelReservation {
command uint8_t numChannels(); command error_t reserveChannel(uint8_t channel);
}
渠道利用率。ChannelUtilMonitor接口报告通道的使用情况。尽管接口使利用率的定义保持开放状态，但常见的选择包括打算使用特定通道的网络层协议的数量以及在通道上发送和接收的数据包的数量。接口要求getutilization（）命令返回一个介于0和255之间的整数，分别对应于最低和最高的利用率。
interface ChannelUtilMonitor {
command uint8_t getUtilization(uint8_t channel);
}
3.2.2网络层协议接口
跳频序列。CS组件根据内部时间表切换无线电频道，以处理跨不同频道的无线电发送/接收请求。FreqHoppingSeq接口允许网络层的协议在下次CS组件将无线电切换到特定频道时进行查询。这些信息对于设置协议超时值很有用，特别是因为多路复用无线电实质上会降低每个协议的有效带宽。
interface FreqHoppingSeq {
command uint32_t nextTime(uint8_t channel);
}
计时器。由于通道同步带来的延迟，现有的多通道机制通常遵循最终的交付服务模型。此外，它们不提供上层表达其数据包传输请求紧急性的能力。例如，时间同步协议可以指示其定时信标需要紧急传输。
为了满足这些要求，cs组件引入了packetTimes接口，其中包含设置perpacket计时属性的命令。首先，我们借鉴了SP体系结构中的紧急位概念。紧急位通知CS组件无线电请求应具有更高的优先级，并先于其他请求进行处理。第二，我们允许上层为其包传输设置服务持续时间计时器。当其中一个定时器触发时，MAC层应丢弃相应的传输请求，并向网络层发送正确的返回错误代码。
interface PacketTimers {
command void setUrgentBit(message_t* pkt); command void
clrUrgentBit(message_t* pkt); command void
setServiceDuration(message_t* pkt, uint32_t timeout);
command uint32_t getServiceDuration(message_t* pkt);
}
3.3协议组成示例
接下来，我们将演示如何使用前面几节中提出的接口开发多通道协议。我们通过“台风”来实现这一点，这是一种网络范围的传播协议，使用专用的控制通道启动和协商用于后续数据传输的通道。
在引导过程中，CA组件使用channelreservation接口来保留专用的控制通道，并查询可用的无线通道总数。然后台风节点会公布他们所拥有的对象的摘要。这些广告允许节点检测本地邻居中的任何过时对象，并启动检索新版本对象的请求。
为了从邻居X中检索对象，节点Y通过公共控制通道发送请求消息来启动握手。然后，节点X查询其CA组件以获取用于数据传输的新通道。节点x上的CA组件可以通过查询channelutilmonitor接口来为每个通道的利用率选择随机通道或相对空闲的通道。节点x通过用新的通道号响应y来完成握手。最后，两个节点都调用mac层api（例如，tinyos中的cc2420配置接口）切换到新通道进行数据传输。CS模块在显示该接口时截取这些请求（参见图1）。数据传输完成后，X和Y返回控制通道。
4. 原型实现
我们现在描述VIR，一个通道同步组件的稻草人实现。虽然其他实现是可能的，但我们使用VIR来展示所提出的体系结构如何支持具有不同射频使用模式的多个并发网络层协议。
4.1基本协议
作为信道同步组件，VIR位于所有MAC层组件之上，从网络层拦截I/O和无线电控制请求（例如，交换信道的请求）。VIR使用这些信息在不同的网络层协议上复用物理无线电。
VIR将时间划分为等长的时隙，每个时隙中节点占用一个活动信道。如果之前至少有一个网络层协议请求切换到该通道，则该通道处于活动状态。我们注意到，虽然所有节点都使用相同的时隙持续时间，但它们不必同步它们的调度。
当一个节点没有挂起的传出数据包时，它按升序循环通过所有活动通道。传入的数据包将立即传递到预期的协议。节点在每个槽的开始广播一个ch调度包，以帮助邻居了解他们的通道调度。ch调度包携带时间偏移量，该偏移量指示节点下一次调度到每个活动通道上的时间。
要处理传出数据包，此基本方案需要进行一次更改。具体地说，一个节点可以偏离预先定义的信道调度，以便集合并向邻居传输数据包。这种偏差的概率取决于本地节点的信心，即在下一个时隙中，预期的邻居将位于所需的信道上。例如，来自邻居的缓存ch调度包的使用时间会影响这种信心。但是，如果一个节点x经常偏离其预先定义的信道调度，其他节点很难与节点x会合。因此，节点在下一个时隙中保持其预定信道，概率p=0.25。节点切换到n个通道中的一个，具有概率为（1minus;p）/n的挂起传出数据包。
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CTP输送率（%） |
CTP平均延迟（ms） |
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仅CTP |
99.7 |
56.8 |
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没有VIR |
52.3 |
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