Delay-Tolerant,对于大型的强调安全的无线传感器网络低功耗协议

文摘

本文报告分析、实现和实验测试全新的实现容忍延迟和节能意识协议对于无线传感器节点,面向安全应用程序。提出的解决方案需要从不同的领域优势考虑作为指导原则无缝的低功耗和所面临的问题和有损连接无线媒介提供的无线网络节点提供的资源非常有限。本文的组织结构如下:首先我们全新给概述实现容忍延迟无线传感器网络(DTN);然后我们执行先进的DTN方法的仿真比较分析和说明拟议中的协议提供的改进;最后我们目前收集的实验数据的实现提出了协议专有硬件节点上。

1。介绍

近年来,无线传感器网络(WSN)的研究呈指数级增长蔓延几个科学领域,从电路设计到算法设计,天线设计,和协议设计。通用传感器网络节点的主要约束处理可以概括了其有限的计算资源和能源消费需求。而能量消耗的计算资源和相应的增长与硅技术改进,可用能源预算不与电池技术进步非常快或甚至可以有界在其他情况下(即。环境、能源回收)。因此,电源管理必须考虑在每一个级别的任何方案的设计。

重要的安全应用程序的部署大型网络面孔—的影响延迟变化的正确操作安全算法。本文说明了工业工作的结果分析,优化,实施和实验测试的专用协议延迟宽容和能源效率对大型网络的安全应用程序域。

本文的组织结构如下:在部分2我们报告概述无线传感器网络特别全新方面实现容忍延迟网络(DTN)和专门DTN逻辑链路控制(LLC)层,目的是说明总体和直接提示协议设计。部分3演示了一个专用的DTN仿真框架,并给出了仿真结果对现有广泛使用的协议相比,新提出的协议。部分4介绍了测试方法和实验结果进行工作应用新的协议实现的硬件传感器节点架构用于证券市场。

2。DTN设计概述

2.1。传感器网络协议栈一般问题

传感器网络是一个动态的、自配置网络相互连接组成,电池驱动的嵌入式系统。这些系统的主要特点是可伸缩性、自我组织、自我配置,适应,exception-free操作,和通信失败宽容1]。所有这些要求必须实现在嵌入式设备(节点),通常能源预算有限,计算能力、存储容量、传输范围和带宽。

和以前研究在几个适合嵌入式系统通信(2,3),实现上述目标的一个重要方面是减少一个共同的协议栈的OSI模型为了更快的计算和传输的数据包数量和规模小。图1显示了一个典型的OSI模型的区别(左)和一个适应传感器网络系统(右侧)。

更短的堆栈是一种简化的视图内的网络设计和计算负载节点,但复杂的软件开发服务提供给应用程序。事实上,更短的栈意味着应用程序直接驱动层接近物理和需要更复杂的解决方案来实现“高层”功能。这种复杂性通常隐藏应用程序开发人员共同OSI-based网络栈(例如,TPC / IP网络)下层被视为黑盒。由于这样的应用程序开发的限制因素,传感器网络协议的巨大生产在过去几年经常采用经典方法忽略了优化堆栈的较低的层(短堆栈),经常产生一个重量级的协议栈,并不符合最常见的操作约束的WSN (4]。相反,该方法完全采用较短的堆栈的方法。

除了computation-optimized短堆栈的通用框架,以下主要特征的基础协议不同于一个共同的解决了TCP / IP网络在新的协议。(我)断断续续的连接:连接节点之间的路径并不总是存在,和可用的链接是时变的。所以网络可以在几个分区,在其不同部分的生活。(2)相对较长和可变延迟:传播延迟网络节点之间是相关的。延迟并不是固定的,可以根据网络流量和不同质量的链接。这种情况往往导致失败的协议是基于快速/ ack返回数据。(3)有损的链接:端到端通信遭受高错误率由于几个物理原因。包经常迷失在hop-to-hop连接。

2.2。异步网络

记住上面的起点,一个同步MAC (5),开槽或框架的基础,可能是不合适的,因为所需的同步节点之一。这个结果来自多年的实验和协议测试的开发过程中提出的协议。事实上,同步MAC需要周期性的成功的节点间的通信数据包,为后续传输同步的邻居。每个传感器节点将开始这个沟通延迟根据一个固定的周期开始与共享时间同步事件。

相反,异步mac (5)不限制睡眠/活跃周期时发生。邻居因此不需要协调他们的周期,因此彼此独立的醒来。这避免了与运行相关的开销和记帐的时间同步协议和全球调度器,在同步MAC,要求发送节点的安排与预定的接收者会合时醒来。顺向缺点,异步协议受到交通拥堵问题当活跃节点的密度高由于其转发机制的内在本质。事实上,成为一个指针指向的邻居数量发现网络中潜在的交通拥堵。然而,异步MAC仍是首选方法在我们的应用程序上下文通信介质的可靠性和时间不能持续(DTN应用程序上下文)。

2.3。Delay-Tolerant网络

DTN响应需要交付消息网络的特征可能缺乏端到端的连接路径,或主动联系(6]或反应性地建立了与传统路由协议。因此,这些网络必须具备的假设有一个永久连接或瞬时源和目的地之间的端到端路径节点。

这是很常见的在这些网络断开连接节点之间发生动态。节点断开连接的主要原因可以归结为移动的节点和稀疏的网络。在第一种情况下,假设是WSN节点具有移动功能,和它的运动可能会导致缺乏连通性时,节点移动无线电范围的任何邻国。稀疏的网络情况下可能出现即使WSN只包含静态节点,由于节点故障,电池放电,改变节点的功能状态,或节点切换到睡眠模式后工作周期不同于其邻国。由此产生的网络拓扑形成孔洞分布的节点。在我们的目标应用程序上下文,流动模式和稀疏的网络必须假定条件。

而解决这些问题的办法通常是一些细化的基本问题商店和向前计划。在这个方向的概念数据骡(7),作为一般的专业视觉DTN情况下,有时是在移动网络中引入的。数据骡子是一个移动的WSN节点高数据存储能力,高吞吐量和能力为了独立岛屿之间建立连接或网络。

如图2,数据骡子从网络收集信息传入的岛,是在靠近岛屿。如果传入消息写给一个节点的网络数据Mule的传输范围内,骡子将该消息转发的数据。否则,骡子存储的数据信息和物理走向目标节点的网络岛开始转发存储信息。

至于路由层,典型的路由协议轮为分为被动和主动的(6]。主动路由设置预定义的路径从源节点对所有可能的目的地节点之前开始数据消息路由。反应按需路由建立连接的端到端路径,生成的消息时需要从源向目标节点的路由。在一个典型的DTN网络应用程序,一个路径通常不能预先制定,这样被动的路由是强制性的选择。

2.4。全新消息实现容忍延迟网络开销

功率效率的WSN协议,一个关键方面是最小化的字节数/网络中的数据包传输的正确操作,以减少能量在传输。因此,主要设计标准是通信交换协议特定用途的开销和其他能源消费业务。在dtn的特定背景下,必须解决的主要来源的开销和最小化如下。

(我)空闲听开销
所花费的时间听介质和接收。通信通常是一个相当罕见的事件时,接收电台必须保持在每一个时间包可能是传入;否则它会想念一些消息被发送。这是能源浪费的主要来源是典型的收音机接收模式中消耗更多的能量(即使没有数据到达)比在睡眠模式。在异步协议,可以计算空闲监听接收每个磨破时期发生的时间窗口在有效的接收时间,赶上广播数据包。

(2)偷听开销
无线介质的性质意味着广播邻居节点间的通信,以便目标节点的所有邻居会收到相同的数据包。听到这些消息是浪费能源:节点花精力去接收数据包并不是解决。这在密集网络开销的来源就成问题了。这些类型的部署是常见的,例如,当感应到范围小于通信范围,这样大量的节点的通信范围内,为了覆盖传感范围越小。

(3)年间开销
当一个数据包碰撞发生时,通常这意味着相撞的重新传输数据包和浪费能源。在这方面,流量的波动在传感器网络数据包生成以防事件报告可以导致传播的峰值负载,网络拥塞和频繁的重发。也退下计算与随机生成器仍然可以产生竞争,因为碰撞仍然可以发生之间的载波监听时间和有效的传播。协议开销通常使用RTS / CTS握手来实现避碰,但它被认为是禁止相比很小,32字节的WSN载荷离开hidden-terminal问题没有解决。

(四)协议开销
所有页眉/页脚和控制数据包开销,也就是说,浪费能源的零数据信息传播。最小化这些字段/数据包类型是良好的基础上设计的范围。

这些参数的优化驱动的设计提出了协议,测试部分4.1。

2.5。性能指标

性能指标不容易定义传感器网络由于其独特的性质。无线通信中常用的指标,如公平和吞吐量,可能不会有意义,因为WSN节点可以合作,因为原始数据传输是一种罕见的在网络中的应用。

我们使用以下指标来衡量协议性能模拟器和实现,其结果发表在部分3.2。

(我)延迟
消息传输从源节点之间的时间延迟,第一个到达的消息到目标节点。

(2)交货率
成功发送数据包的数量比由源节点的数据包数量。

(3)开销
数量的冗余数据包副本中传播网络和额外的控制包交换协议特定的目的。
我们注意,出于完整性的考虑,也可以定义另一个指标。

(四)网络效率
生成的数据包副本的总和所有的转发节点(包括源节点),以提供一个包(其他定义应用程序依赖)。
然而,的定义网络效率是非常变量通常是与一个特定的应用程序。这就是为什么它不会被用作比较3.2。

3所示。基于仿真分析现有DTN的协议

3.1。在分析协议

使用最广泛的DTN协议发表在文献[7,9- - - - - -12下面列出:(我)直接扩散,(2)第一次接触,(3)流行,(iv)模糊的喷雾,(v)先知,(vi)MaxProp,(七)喷雾等(变异),(八)伤疤,(第九)时尚,(x)迅速。

可以将上述协议根据映射图3。灰色细胞代表DTN协议的典型特征。地图下方的继承特征在最高水平。下面,简要描述中列出的每一个特点是地图。

单一的传播
广播的数据包传输和成立后只有一次。

Multitransmission
包可以不止一次传送相同的节点。

复制
一个包可以从接收转发节点。这是多次反射沟通的第一步。

队列管理
从这个层面上,继电器的管理开始。在这种情况下,继电器完成数据包的队列,发送方可以管理节点在几个方面。例如,一个简单的管理可能是一个FIFO队列,但考虑到参数对节点能量。

交付的概率
根据特定的协议,每包是可以与概率有关,例如,与数据包的目的地,或根据路由路径。如果传入的数据包相关的概率大于一定比例,包传送。

有限的副本在网络
这一特点限制了网络中可以同时共存的副本数量。协议实现这个特性采用不同的规则来限制网络中的副本。
我们进行一个比较分析上述协议的商用模拟器(10),为了有一个基础,我们可以构建的机制可能会导致网络的优化目标应用程序上下文。

3.2。仿真结果

在数据图5和6目前的结果比较基于先前选择的指标。

图4显示了所有测试协议延迟措施。在随后的分析中,我们限制了勘探一组最表演的,特别是MaxProp先知,喷雾和等待。先知代表协议实现数据转发方案,喷雾等只复制控制方案,MaxProp。

可以的话,由于有限的缓冲区大小,先知明显遭受消息丢弃,而喷雾等,通过限制复制的总数,可以在任何情况下实现良好的性能。

从图4,我们也可以注意到所选择的协议标志着两个极端的一系列的延迟值,而其他协议定位它们之间根据计划实施。这个范围以外的其他协议有性能被认为是出于兴趣。

数据5和6现在选择的协议的性能,分别关于交货率和开销。

考虑性能和功耗之间的折衷,喷雾等协议出来的开销,同时保持最低的平均结果交付率和延迟,在目标应用程序域。结果的分析、新开发的协议已经喷雾等的优化。

4所示。新协议仿真和实验测试

4.1。分析一个专用State-Accurate模拟器DTN协议

为了有一个更深层次的控制在开发协议,与国家级的准确性,为了有一个更好的能源模式,自定义为DTN模拟器框架协议了。OMNET + + 4.2 [13)被选为框架开始。模拟器一直在分层的基本OMNET API,没有任何其他插件安装。

模拟器旨在建模、国家级精度,传感器网络节点的硬件特别问候收音机和微控制器状态,为了功耗产生精确的结果。它被设计来提供动态定位的传感器网络节点在一个模拟的区域。

根据物理参数之间的连接节点是动态建立相对于每一个节点,与一个特定的建模的天线增益和接收灵敏度。工作频率用于模型中每个节点的通信范围实现从根据节点的相互位置。

图7展示了一个测试拓扑用于验证的可靠性模拟器。OMNET + +的图形渲染显示固定节点的拓扑处理在一个虚拟的领域。每个位置的虚拟字段映射坐标参考的一个3 d的虚拟空间。以这种方式可以映射节点之间的相互距离。

一个配置文件描述了每个节点加入网络的物理特性与继承的可能性标准,如果没有指定特定的物理参数为一个节点。

第一次使用模拟器已经完成验证数据包交付时间和模型分组交换节点中选择的第一个版本协议,以验证模拟结果和模拟网络上获取更多的数据。

可以看到在图9它从未发生,一个节点开始传输而另一个在其能见度范围还在传播阶段。此外,可以看到包中继段1秒没有碰撞发生时,正确的模型使用的协议。

自协议是一个DTN和适合移动节点间的通信,移动节点建模功能开发和介绍了框架(图8)。

4.2。硬件测试会话1号

测试协议的实现在真实的商业硬件WSN节点分为不同的测试。

第一次会议处理节点能耗,通过分析工作周期和电力消耗在不同传播阶段。所有台在WSN实验室的建立了SELEX Sistemi Integrati(原名ElsagDatamat)在空调环境中25°C。

4.2.1。准备实验设置

试验台是解决了单个MasterZone [8]节点。

节点被编程来配置其收发器在Wake-on-Radio状态:收音机进入接收模式在短时间内(15 ms),之后在睡眠状态呆800 ms。

偶尔,节点进行传输。在这个配置中,可以监测节点在接收和传播的消费阶段。

电流的测量用电流探针被执行节点为了产生一个时间日志的措施和区分每个阶段之间的电力消耗。

获得的日志被分裂和报告数据10和11为了专注于每个特定Rx和Tx阶段。

4.2.2。结果和分析

第一个测量磨破时间的担忧。从图10,每800毫秒电力消耗的节点显示了一个高一步由于从“闲置/睡眠”状态改变到“接收”。

图11显示能耗跟踪的细节中,我们可以观察到背景消费200 uA的睡眠模式,提高峰值22马主动接收模式。

图12说明了相应的测试一个传播阶段。我们可以看到30 ms的第一阶段的功耗30 mA CSMA / CA阶段初的传播阶段,马23和900 ms传输阶段的功耗−15分贝的发射功率。

可以观察到传播阶段在能源消费反弹。这是由于快速变化的状态在发射机无线电发射机(空闲)。在这个测试结果符合预期的结果。

4.3。硬件测试会话2号

第二组的测试建立了使用单一节点。这个测试处理正确的节点的广播功能。

4.3.1。实验设置

目标检测的措施在这个测试目的节点无线电接收机的灵敏度和确认的正确功能采用CSMA策略。

这些措施完成的逻辑状态分析仪测试与控制节点的IO。这个针是直接由单片机控制和报告使用的无线电频道的状态(即。如果广播频道忙或免费,在接收功率根据预定义的阈值)。阈值被设置为可用的最小值:这样销将low-logic状态当最小能量检测收到的频道。

节点的天线插头已经通过同轴电缆直接连接(50欧姆,SMA连接器)射频发生器提供无线电信号直接注入接收电路的节点。直接连接的射频发生器测量中避免错误,可以引入一个自由空气的链接。

4.3.2。结果和分析

结果收集证明90−dBm节点的敏感性。事实上,低于这个阈值导致销监测空气反弹的状态独立于实际的射频注入。

在图13,可以看到正确的响应从节点获得当−90 dBm的功率注入。

第一行监控传输的射频发生器。没有白色的故障信号意味着一个好的clear channel测量。下面这个权力,白线开始反弹:节点不能辨别一个免费频道从繁忙的一个。这个测试证明了该节点的灵敏度在90−dBm。

4.4。硬件测试会话3号

第三组测试已经成立两个节点网络:目标距离的测量可实现的点对点传输。

4.1.1。实验设置

这个实验是设置了两个MasterZone节点(8适当编程的。

第一个配置为定期发送数据包。在这个测试环境中,数据包的内容并不重要,但是它是否收到第二个节点,因为我们要测量的物理值相关射频传输。

第二个节点配置为保持在接收状态,读的RSSI水平收到数据包,并将它dBm的价值观。这个翻译已经提前调整从数据使用引用值。节点将数据发送给PC机通过RS232串行连接,在那里他们是时间标记和记录。

10/24/11。结果和分析

图14显示了实际测量的情节走向理想值。理想值(蓝色)描述预期的dBm权力在接收方根据自由路径损耗法律5 dBm的发射功率和天线增益−6 dBm的工作频率420 MHz。

从图中,我们可以看到理想值之间的映射和真正的相当1:1有几个dBm的区别。

假设测量遵循这一趋势,90−dBm的阈值水平可能达到800发射机和接收机之间的距离。与更大的节点之间的距离应该进行更多的测试来确认这一趋势与距离的最大一个可以实现的。

4.5。4号测试会话

多次反射的第四个会话建立了试验台和目标参数的测量延迟。在本实验中,我们有一个源节点,传送节点和汇聚节点。所有节点是可见的。测试旨在验证一个简单的继电器功能。

4.5.1。实验设置

这个测试床设置有两个MasterZone节点(8)适当编程的A和B(节点)和PC(三角)界面上的一个节点。

所有节点都配置为测试协议的多次反射功能当传入的消息传送到邻居节点。

三角节点传送“ping”控制数据包的电脑。这个节点不参与任何其他电台握手。“ping”节点收到的数据包传送到节点B。

逻辑状态分析仪已经连接到节点监控节点A和b之间的握手发生5 I / O引脚被配置在每个节点监控节点根据事件表1。事件监控处理一个成功或失败的传播开始的节点,一个成功的接待,或接收的数据包接收队列中存储(鬼包)。信号Hbeat揭示了内部节点的时机。

国家分析器将记录所有控制销两个节点为了抓握手的清晰画面。测试的目的是检查如果路由节点的最小集合反映了预期行为。

4.5.2。结果和分析

图15报告的结果与刚刚描述的配置进行测试。强调沟通后的真相的青色的气球。(1)A和B节点接收ping命令从水槽节点在同一个槽(接收两次)。(2)一个答案水槽节点2.42秒的延迟。(3)B接收答案通过(信号切换监控传输的结束)。(4)B试图向前ping请求签发的水槽节点但感觉空气占据。(5)B将水槽转发请求。(6)从水槽节点接收转发请求和过滤器,因为已经收到。(7)从一个B传送答案。(8)收到自己的答案B和滴。

这个握手反映了预期行为。

5。结论

在本文中,我们首先提出了一个全新不同的实现容忍延迟协议WSN系统之间的比较。从指标的定义对传感器网络的性能分析发现在文献中,我们比较全新不同的实现容忍延迟协议。

广泛的协议通过使用模拟器进行了调查。后一组仿真结果和比较选择指标,最有前途的一个被选中来开发一个新的自定义协议。

以达到更准确的控制仿真和纳入更广泛的模拟参数,仿真平台已经转向一个更多样化的。自定义协议的代码的基础上选择一个新的模拟环境中实现。第一个仿真结果与固定和移动节点已经收集了。这些测试已经证实该协议是否适合实际的实现。

最后自定义协议专有平台上移植:正确的实现是通过一组测试验证时间,握手和开发节点的能耗,确认预期结果和进一步的后续发展铺平了道路。

确认

这项工作是支持的SELEX Sistemi Integrati,芬梅卡尼卡公司。特别感谢将Luca di Donato对他的支持。

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