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基于時(shí)分復用的一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議的設計
引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現和研究。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，MAC 協(xié)議決定了無(wú)線(xiàn)通道的使用方式，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線(xiàn)通信資源，用來(lái)建立網(wǎng)絡(luò )可靠的點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的通信鏈路。MAC 協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的底層部分，對傳感器網(wǎng)絡(luò )的性能有較大影響。MAC 協(xié)議設計的好壞是保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信高效與否的關(guān)鍵因素之一。
在設計無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的MAC 協(xié)議時(shí)，主要需要考慮以下三個(gè)方面：節省能量，可擴展性和網(wǎng)絡(luò )效率。以上三個(gè)方面，重要性一般是依次減低。在傳統網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)能夠連續地獲得能量供應，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構相對穩定，網(wǎng)絡(luò )的變化范圍和變化頻率都比較小，因此傳統網(wǎng)絡(luò )的MAC 協(xié)議重點(diǎn)考慮節點(diǎn)使用帶寬的公平性、提高帶寬的利用率以及增加網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性。而在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)的能量供應問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，節點(diǎn)本身就不能自動(dòng)補充能量或能量補充不足，所以節約能量就變成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC 協(xié)議設計時(shí)需要首要考慮的因素。
1 目前典型的MAC協(xié)議
目前ＭＡＣ協(xié)議有很多種，也有很多種分類(lèi)。按照采用固定分配通道方式還是隨機訪(fǎng)問(wèn)信道方式分類(lèi)可以分為：基于競爭的ＭＡＣ協(xié)議，基于時(shí)分復用的ＭＡＣ協(xié)議，其他類(lèi)型的ＭＡＣ協(xié)議。
1.1 基于競爭的 MAC 協(xié)議
基于競爭的隨機訪(fǎng)問(wèn)MAC 協(xié)議采用按需使用通道的方式，其基本思想是當節點(diǎn)需要發(fā)送數據時(shí)，通過(guò)競爭方式使用無(wú)線(xiàn)通道，如果發(fā)送的數據產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數據，直到數據發(fā)送成功或放棄發(fā)送。典型的基于競爭的隨機訪(fǎng)問(wèn)MAC 協(xié)議是載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)(CSMA)。在IEEE 802.11 MAC 協(xié)議[1]的基礎上，研究者提出了多個(gè)基于競爭的MAC協(xié)議用于傳感器網(wǎng)絡(luò )。比如：S-MAC 協(xié)議，T-MAC 協(xié)議等等。
1.2 基于時(shí)分復用的 MAC 協(xié)定
時(shí)分復用是實(shí)現通道分配的簡(jiǎn)單成熟的機制，現在應用較廣的藍牙網(wǎng)絡(luò )就是采用了時(shí)分復用的MAC 協(xié)議。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中采取時(shí)分復用機制，就是為每個(gè)節點(diǎn)分配獨立的用于數據發(fā)送或接收的時(shí)間片，節點(diǎn)在其它空閑時(shí)間片內則轉入睡眠狀態(tài)。
1.3 其它類(lèi)型的 MAC 協(xié)議
基于時(shí)分復用的MAC 協(xié)議也有自己的缺點(diǎn)，比如網(wǎng)絡(luò )擴展性較差，需要節點(diǎn)間嚴格的時(shí)間同步，對能量和計算能力有限的節點(diǎn)而言實(shí)現起來(lái)比較困難。因此有很多研究人員考慮通過(guò)FDMA 或者CDMA 與TDMA 相結合的方法，為每對節點(diǎn)分配互不干擾的信道實(shí)現消息傳輸，從而增強協(xié)議的擴展性。
2 基于時(shí)分復用的一種MAC 協(xié)議設計
本文所討論的協(xié)議是針對特定的分簇網(wǎng)絡(luò )，基于周期性的時(shí)分復用ＭＡＣ協(xié)議。協(xié)議對每個(gè)節點(diǎn)劃分了具體的工作時(shí)間片和工作時(shí)隙，最大地節省了節點(diǎn)的耗電量，而且增加了重傳機制，能有效提高系統發(fā)送的成功率。
2.1 網(wǎng)絡(luò )結構
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由接收器（1 個(gè)）、中繼器（多個(gè)）和傳感器（大量）組成的分簇網(wǎng)絡(luò )。接收器是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )信息的集結點(diǎn)；中繼器的主要工作就是收集它的下級節點(diǎn)（包括中繼器和傳感器）的采集信息并轉發(fā)給它的上級節點(diǎn)（包括中繼器或者接收器）；傳感器的工作就是采集信息，發(fā)送給它的上級節點(diǎn)（包括中繼器或者接收器），它自身沒(méi)有轉發(fā)功能。接收器和中繼器由于匯聚了從多個(gè)傳感器中的采集數據，因而也稱(chēng)為為骨干節點(diǎn)。整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲圖所示。
2.2 時(shí)間片劃分
每個(gè)骨干節點(diǎn)都有自己的時(shí)間片，此骨干節點(diǎn)的下級節點(diǎn)都只在此時(shí)間片內把采集到的數據上交，因此只要設計好各個(gè)時(shí)間片，就能有效避免設備之間的互相干擾。為了確保一個(gè)周期內所有傳感器的采集數據都可以到達接收器，設計時(shí)先設定一個(gè)周期內時(shí)間片n 從大到小依次工作，而且保證同一條鏈路上的骨干節點(diǎn)越遠離接收器，其時(shí)間片n 值就越大（接收器的時(shí)間片是0），這個(gè)保證可以在路由協(xié)議中實(shí)現。
是節點(diǎn)時(shí)間片劃分的示例（傳感器的時(shí)間片指的是其上級骨干節點(diǎn)時(shí)間片）。示例中有5 個(gè)骨干節點(diǎn)，得到的時(shí)間片分別是0 至4，它們在一個(gè)周期的工作流程如下：
1） 首先工作的是時(shí)間片4 的中繼器和它的下級三個(gè)傳感器，在工作時(shí)間內中繼器獲得下級三個(gè)傳感器的數據。
2） 其次工作的是時(shí)間片3 的中繼器和它的下級兩個(gè)傳感器，在工作時(shí)間內中繼器獲得下級兩個(gè)傳感器的數據。
3） 接下來(lái)工作的是時(shí)間片2 的中繼器和它的下級一個(gè)中繼器，在工作時(shí)間內中繼器獲得的下級中繼器中保存的三個(gè)傳感器的數據。
4） 緊接著(zhù)工作的是時(shí)間片1 的中繼器和它的下級兩個(gè)傳感器，在工作時(shí)間內中繼器獲得下級兩個(gè)傳感器的數據。
5） 最后工作的是時(shí)間片0 的接收器和它的下級三個(gè)中繼器，在工作時(shí)間內接收器獲得下級中繼器中所有保留的數據（7 個(gè)傳感器的數據）。
經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，接收器就能獲得了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )內所有傳感器的采集數據。
2.3 時(shí)隙控制
因為一個(gè)骨干節點(diǎn)可能存在多個(gè)下級分支，所以在其特定時(shí)間片內，骨干節點(diǎn)需要一次查詢(xún)多個(gè)下級節點(diǎn)。這種通訊控制是通過(guò)將節點(diǎn)分配在不同的時(shí)隙而完成的。如表1 所示，當節點(diǎn)進(jìn)入其所在的時(shí)間片內，骨干節點(diǎn)率先發(fā)出數據信標，而后其下級各個(gè)節點(diǎn)依次將數據上報給中繼器。當所有節點(diǎn)上報結束后，骨干節點(diǎn)發(fā)送DataAck 結束通訊過(guò)程。表中最大19１個(gè)時(shí)隙是根據具體硬件條件設置。根據需要進(jìn)行通訊的下級節點(diǎn)的多少，時(shí)隙的個(gè)數是可變的。
2.4 重傳機制
重傳機制確保了通訊的可靠性。當骨干節點(diǎn)某個(gè)下級節點(diǎn)發(fā)送數據失敗后，中繼器將發(fā)起下一輪通訊，用來(lái)單獨查詢(xún)傳輸失敗的下級節點(diǎn)。本協(xié)議規定的最大傳輸次數為3。如表3 所示，某骨干節點(diǎn)下級共有8 個(gè)傳感器，當第一輪通訊之后，發(fā)現其中有3 個(gè)傳感器的數據發(fā)送失敗。這時(shí)，中繼器會(huì )發(fā)起第二輪通訊。在第二輪通訊中，中繼器只會(huì )和上一輪發(fā)送數據失敗的3 個(gè)傳感器通訊。當第二輪通訊結束，骨干節點(diǎn)發(fā)現仍然有1 個(gè)傳感器出現了問(wèn)題。因此，在第三輪通訊之中，骨干節點(diǎn)只與這1 個(gè)傳感器通訊。
3 結論
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節約能量是首要考慮的因素。MAC 協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的底層部分，對節約能量起到?jīng)Q定性的作用。本文給出了一種基于時(shí)分復用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC 協(xié)議設計，它主要針對實(shí)際應用的一種網(wǎng)絡(luò )結構，對各個(gè)節點(diǎn)的工作時(shí)間做了嚴格的劃分，在硬件條件滿(mǎn)足的情況下，此協(xié)議能提高各個(gè)節點(diǎn)的能量利用率。
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