WSN07 跨层设计¶

约 1644 个字预计阅读时间 9 分钟

WSN跨层设计¶

面向特定场景，摒弃搭积木式的模块化设计，转而另起高楼

分层设计优缺点¶

优点¶

模块解耦，独立开发，并通过标准化接口耦合
便于协议迭代开发演进

缺点¶

引入额外的交流开销，性能受限
泛化与特例化是一对矛盾

层间协作的必要性¶

物理层对网络网的约束
实际通信范围并不是标准的理想圆盘形状
汇聚节点的位置使得网络如流水一般，往往是非对称的
MAC层对传输层和网络层的约束
基于竞争的MAC易导致局部拥塞
基于CSMA广播的泛洪路由带来时延与距离不成比例的数据扩散

跨层设计有两两跨层协议（pairwise cross-layering）、一体化跨层协议（cross-layer protocol；XLP）

两两跨层协议¶

事实上即使是搭积木，跨层协作也是常见的，因为现实并不理想

常见的跨层协议有

MAC层与网络层跨层设计
MAC层与应用层跨层设计
物理层与网络层跨层设计
物理层与传输层跨层设计（课程没提及）

下面分别作案例介绍，其中的大部分你已见过

MAC层与网络层跨层设计¶

自适应侦听 ¶

回顾一下

于是乎，RTS/CTS握手时会在下一跳节点睡前让它别睡太死，ACK就给我醒过来

这里的下一跳节点就是网络层路由结果

DMAC¶

利用数据采集树（Data Gathering Tree）在一帧内传递数据，基于顺序依次唤醒休眠调度，相当于S-MAC plus

Anycast路由¶

不指定下一跳节点，从而达到最优解
距离决定优先级，在可行域内，随距Sink节点距离越近，优先级越高
不是基于距离的贪婪转发，更像是竞争转发（能收到CTS说明信道质量较好）

MAC与应用层跨层设计¶

CC-MAC¶

Correlation-based Collaborative MAC

基于稀疏采样的思想，对于物理相邻的相关性强的节点群，只取其一
进而大大降低网络拓扑复杂度，降本增效🤪

估计过程

某一区域的信源信号服从高斯分布

\[f_{S}(s)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma_{s}}e^{-\frac{s^{2}}{2\sigma_{s}^{2}}}\]

任意俩传感器之间的相关系数

\[\rho_{i,j}=\frac{E(S_{i}S_{j})}{\sqrt{Var(S_{i})Var(S_{j})}}=e^{\left(-d_{i,j}/\theta_{1}\right)^{\theta_{2}}}\]

\[\begin{aligned}&\theta_1和\theta_2,就是用来“调节”相关系数随距离d_{i,j}衰减快慢的两个超参数\\&可以根据具体的传感器布置、环境特性或者实测数据来拟合这两个值\end{aligned}\]

每一个节点的信息携带加性噪声

\[X_i=S_i+N_i\]

汇聚节点收到其中一个放大后的数据

\[Y_{i}=\sqrt{\frac{P_{E}}{\sigma_{S}^{2}+\sigma_{N}^{2}}}X_{i}\]

采用MMSE（最小均方误差）对单信道进行估计

\[Z_{i}=\frac{E(S_{i}Y_{i})}{E({Y_{i}}^{2})}Y_{i}\]

对实际值取均值进行信源估计

\[\hat{S}=(Z_{1}+Z_{2}+\ldots+Z_{M})/M\]

求得对信源的平均均方估计误差

\[D_{E}(M)=E\left[\left(S-\hat{S}\right)^{2}\right]\]

展开

\[\begin{aligned}D_{E}(M)&=\sigma_{S}^{2}-\frac{\sigma_{S}^{4}}{M\left(\sigma_{S}^{2}+\sigma_{N}^{2}\right)}\left(2\sum_{i=1}^{M}\rho_{(s,i)}-1\right)\\&+\frac{\sigma_{S}^{6}}{M^{2}\left(\sigma_{S}^{2}+\sigma_{N}^{2}\right)^{2}}\sum_{i=1}^{M}\sum_{j\neq i}^{M}\rho_{(i,j)}\end{aligned}\]

不难注意到，若希望减小误差，可使得

上报传感器数量M增多
传感器与信源相关性\(\rho_{(s,i)}\)增大
传感器间相关性\(\rho_{(i,j)}\)减小
差异越大的节点意味着能获得更多的信息，趋同的节点则没有意义

相当于传八卦，传的人越多证明不是空穴来风。传的是关于同一件事的正确性更高。每个人传的角度不一样能有更多信息。

应用层计算估计结果并规划节点空间分配

网络层与物理层¶

基于接收的黑名单转发
基于最佳PRR * 距离的转发

一体化跨层协议设计¶

XLP（X-layer protocol）和杂种一样，集百家之长

内容与实现¶

具体包含

传输启动
启动判决
接收节点竞争
拥塞控制
基于角度的路由
等等

下面介绍部分

传输启动¶

MAC层，广播RTS（包含当前和汇聚节点地理信息），很CSMA

先侦听后发送
随机退避机制
但是不指定下一跳节点

启动判决¶

接收节点在收到RTS后判断是否满足转发条件

是否位于可行域
还有以下条件

\[\mathcal{I}=\begin{cases}1,&\mathrm{if}\begin{cases}\xi_{RTS}\geq\xi_{Th}&\text{接收RTS的SNR值}\\\lambda_{relay}\leq\lambda_{relay}^{Th}&\text{中继的输入速率}\\\beta\leq\beta^{\max}&\text{中继的缓存充盈度}\\E_{rem}\geq E_{rem}^{\min}&\text{中继的剩余能量}\\0,&\text{otherwise.}&\end{cases}&\end{cases}\]

从上到下分别为物理层、传输层、传输层、物理层

接收节点竞争¶

多个待选节点转发需要通过CTS竞争

采用Anycast路由

为网络层+MAC层

没有接收到CTS的原因

可行域中无节点/无满足节点

CTS冲突

基于角度的路由¶

当可行域内没有节点条件下（没有收到CTS）启动，作为补偿

在不可行域中矮子里头拔将军

选择偏离角尽可能小的节点（竞争窗口更小）

第八次课后练习题

Anycast根据节点路径远近，设置了不同的信道访问优先级，因而是一种MAC层与网络层的跨层协议（√）
XLP协议中的传输启动需要发送RTS，其指明了下一跳转发节点（×，并没有指明）
XLP协议基于接收节点竞争，给离汇聚节点更近的节点更高优先级，因此没有考虑实际信道（×，能收到RTS隐含信道质量）
XLP协议中若没有收到CTS回复，则就说明可行域内无节点（×，也可能是无满足节点/CTS冲突）
XLP协议中，基于接收节点竞争要求获知节点地理位置，而基于角度的路由则无需考虑地理位置（×，角度的计算需要地理位置）