基于時分復用的一種無線傳感器網絡MAC協議的設計

基于時分復用的一種無線傳感器網絡MAC協議的設計

引言
　　
　　無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點，涉及多學科交叉的研究領域，有非常多的關鍵技術有待發現和研究。在無線傳感器網絡中，MAC 協議決定了無線通道的使用方式，在無線傳感器網絡節點之間分配有限的無線通信資源，用來建立網絡可靠的點到點或者點到多點的通信鏈路。MAC 協議處于傳感器網絡協議的底層部分，對傳感器網絡的性能有較大影響。MAC 協議設計的好壞是保證無線傳感器網絡通信高效與否的關鍵因素之一。
　　在設計無線傳感器網絡的MAC 協議時，主要需要考慮以下三個方面：節省能量，可擴展性和網絡效率。以上三個方面，重要性一般是依次減低。在傳統網絡中，節點能夠連續地獲得能量供應，整個網絡的拓撲結構相對穩定，網絡的變化范圍和變化頻率都比較小，因此傳統網絡的MAC 協議重點考慮節點使用帶寬的公平性、提高帶寬的利用率以及增加網絡的實時性。而在無線傳感器網絡中，節點的能量供應問題沒有得到很好的解決，節點本身就不能自動補充能量或能量補充不足，所以節約能量就變成了無線傳感器網絡MAC 協議設計時需要首要考慮的因素。
　　
　　1 目前典型的MAC協議
　　
　　目前ＭＡＣ協議有很多種，也有很多種分類。按照采用固定分配通道方式還是隨機訪問信道方式分類可以分為：基于競爭的ＭＡＣ協議，基于時分復用的ＭＡＣ協議，其他類型的ＭＡＣ協議。
　　
　　1.1 基于競爭的 MAC 協議
　　基于競爭的隨機訪問MAC 協議采用按需使用通道的方式，其基本思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線通道，如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。典型的基于競爭的隨機訪問MAC 協議是載波偵聽多路訪問(CSMA)。在IEEE 802.11 MAC 協議[1]的基礎上，研究者提出了多個基于競爭的MAC協議用于傳感器網絡。比如：S-MAC 協議，T-MAC 協議等等。
　　
　　1.2 基于時分復用的 MAC 協定
　　時分復用是實現通道分配的簡單成熟的機制，現在應用較廣的藍牙網絡就是采用了時分復用的MAC 協議。在無線傳感器網絡中采取時分復用機制，就是為每個節點分配獨立的用于數據發送或接收的時間片，節點在其它空閑時間片內則轉入睡眠狀態。
　　
　　1.3 其它類型的 MAC 協議
　　基于時分復用的MAC 協議也有自己的缺點，比如網絡擴展性較差，需要節點間嚴格的時間同步，對能量和計算能力有限的節點而言實現起來比較困難。因此有很多研究人員考慮通過FDMA 或者CDMA 與TDMA 相結合的方法，為每對節點分配互不干擾的信道實現消息傳輸，從而增強協議的擴展性。
　　
　　2 基于時分復用的一種MAC 協議設計
　　
　　本文所討論的協議是針對特定的分簇網絡，基于周期性的時分復用ＭＡＣ協議。協議對每個節點劃分了具體的工作時間片和工作時隙，最大地節省了節點的耗電量，而且增加了重傳機制，能有效提高系統發送的成功率。
　　
　　2.1 網絡結構
　　無線傳感器網絡是由接收器（1 個）、中繼器（多個）和傳感器（大量）組成的分簇網絡。接收器是整個無線傳感器網絡信息的集結點；中繼器的主要工作就是收集它的下級節點（包括中繼器和傳感器）的采集信息并轉發給它的上級節點（包括中繼器或者接收器）；傳感器的工作就是采集信息，發送給它的上級節點（包括中繼器或者接收器），它自身沒有轉發功能。接收器和中繼器由于匯聚了從多個傳感器中的采集數據，因而也稱為為骨干節點。整個無線傳感器網絡拓撲圖所示。
　　
　　2.2 時間片劃分
　　每個骨干節點都有自己的時間片，此骨干節點的下級節點都只在此時間片內把采集到的數據上交，因此只要設計好各個時間片，就能有效避免設備之間的互相干擾。為了確保一個周期內所有傳感器的采集數據都可以到達接收器，設計時先設定一個周期內時間片n 從大到小依次工作，而且保證同一條鏈路上的骨干節點越遠離接收器，其時間片n 值就越大（接收器的時間片是0），這個保證可以在路由協議中實現。
　　是節點時間片劃分的示例（傳感器的時間片指的是其上級骨干節點時間片）。示例中有5 個骨干節點，得到的時間片分別是0 至4，它們在一個周期的工作流程如下：
　　1） 首先工作的是時間片4 的中繼器和它的下級三個傳感器，在工作時間內中繼器獲得下級三個傳感器的數據。
　　2） 其次工作的是時間片3 的中繼器和它的下級兩個傳感器，在工作時間內中繼器獲得下級兩個傳感器的數據。
　　3） 接下來工作的是時間片2 的中繼器和它的下級一個中繼器，在工作時間內中繼器獲得的下級中繼器中保存的三個傳感器的數據。
　　4） 緊接著工作的是時間片1 的中繼器和它的下級兩個傳感器，在工作時間內中繼器獲得下級兩個傳感器的數據。
　　5） 最后工作的是時間片0 的接收器和它的下級三個中繼器，在工作時間內接收器獲得下級中繼器中所有保留的數據（7 個傳感器的數據）。
　　經過一個周期，接收器就能獲得了無線傳感器網絡內所有傳感器的采集數據。
　　
　　2.3 時隙控制
　　因為一個骨干節點可能存在多個下級分支，所以在其特定時間片內，骨干節點需要一次查詢多個下級節點。這種通訊控制是通過將節點分配在不同的時隙而完成的。如表1 所示，當節點進入其所在的時間片內，骨干節點率先發出數據信標，而后其下級各個節點依次將數據上報給中繼器。當所有節點上報結束后，骨干節點發送DataAck 結束通訊過程。表中最大19１個時隙是根據具體硬件條件設置。根據需要進行通訊的下級節點的多少，時隙的個數是可變的。
　　
　　2.4 重傳機制
　　重傳機制確保了通訊的可靠性。當骨干節點某個下級節點發送數據失敗后，中繼器將發起下一輪通訊，用來單獨查詢傳輸失敗的下級節點。本協議規定的最大傳輸次數為3。如表3 所示，某骨干節點下級共有8 個傳感器，當第一輪通訊之后，發現其中有3 個傳感器的數據發送失敗。這時，中繼器會發起第二輪通訊。在第二輪通訊中，中繼器只會和上一輪發送數據失敗的3 個傳感器通訊。當第二輪通訊結束，骨干節點發現仍然有1 個傳感器出現了問題。因此，在第三輪通訊之中，骨干節點只與這1 個傳感器通訊。
　　
　　3 結論
　　
　　在無線傳感器網絡中，節約能量是首要考慮的因素。MAC 協議處于傳感器網絡協議的底層部分，對節約能量起到決定性的作用。本文給出了一種基于時分復用的無線傳感器網絡MAC 協議設計，它主要針對實際應用的一種網絡結構，對各個節點的工作時間做了嚴格的劃分，在硬件條件滿足的情況下，此協議能提高各個節點的能量利用率。

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　　[參考文獻] (References)
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　　[4] 孫利民，李建中，陳渝，等（et al）. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2006.
　　[5] 謝希仁.《計算機網絡（第五版）》[M] ．北京：電子工業出版社．2012 年1 月
　　[6] 王艷麗，龐偉正，李岳霖. 基于時分復用的無線傳感器網絡MAC 協議研究[J]. 傳感器與微系統. 2006年第25 卷第12 期

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