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基于時(shí)分復(fù)用的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)
引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)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(xiàn)和研究。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC 協(xié)議決定了無線通道的使用方式，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，用來建立網(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(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響。MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)的好壞是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信高效與否的關(guān)鍵因素之一。
在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議時(shí)，主要需要考慮以下三個(gè)方面：節(jié)省能量，可擴(kuò)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能夠連續(xù)地獲得能量供應(yīng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)的變化范圍和變化頻率都比較小，因此傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議重點(diǎn)考慮節(jié)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。而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問題沒有得到很好的解決，節(jié)點(diǎn)本身就不能自動(dòng)補(bǔ)充能量或能量補(bǔ)充不足，所以節(jié)約能量就變成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)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。按照采用固定分配通道方式還是隨機(jī)訪問信道方式分類可以分為：基于競(jìng)爭(zhēng)的ＭＡＣ協(xié)議，基于時(shí)分復(fù)用的ＭＡＣ協(xié)議，其他類型的ＭＡＣ協(xié)議。
1.1 基于競(jìng)爭(zhēng)的 MAC 協(xié)議
基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問MAC 協(xié)議采用按需使用通道的方式，其基本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)方式使用無線通道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問MAC 協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)。在IEEE 802.11 MAC 協(xié)議[1]的基礎(chǔ)上，研究者提出了多個(gè)基于競(jìng)爭(zhēng)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(fù)用的 MAC 協(xié)定
時(shí)分復(fù)用是實(shí)現(xiàn)通道分配的簡(jiǎn)單成熟的機(jī)制，現(xiàn)在應(yīng)用較廣的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)就是采用了時(shí)分復(fù)用的MAC 協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采取時(shí)分復(fù)用機(jī)制，就是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)間片，節(jié)點(diǎn)在其它空閑時(shí)間片內(nèi)則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。
1.3 其它類型的 MAC 協(xié)議
基于時(shí)分復(fù)用的MAC 協(xié)議也有自己的缺點(diǎn)，比如網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性較差，需要節(jié)點(diǎn)間嚴(yán)格的時(shí)間同步，對(duì)能量和計(jì)算能力有限的節(jié)點(diǎn)而言實(shí)現(xiàn)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(jié)合的方法，為每對(duì)節(jié)點(diǎn)分配互不干擾的信道實(shí)現(xiàn)消息傳輸，從而增強(qiáng)協(xié)議的擴(kuò)展性。
2 基于時(shí)分復(fù)用的一種MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)
本文所討論的協(xié)議是針對(duì)特定的分簇網(wǎng)絡(luò)，基于周期性的時(shí)分復(fù)用ＭＡＣ協(xié)議。協(xié)議對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分了具體的工作時(shí)間片和工作時(shí)隙，最大地節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的耗電量，而且增加了重傳機(jī)制，能有效提高系統(tǒng)發(fā)送的成功率。
2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(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)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的集結(jié)點(diǎn)；中繼器的主要工作就是收集它的下級(jí)節(jié)點(diǎn)（包括中繼器和傳感器）的采集信息并轉(zhuǎn)發(fā)給它的上級(jí)節(jié)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(jí)節(jié)點(diǎn)（包括中繼器或者接收器），它自身沒有轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，因而也稱為為骨干節(jié)點(diǎn)。整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D所示。
2.2 時(shí)間片劃分
每個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)都有自己的時(shí)間片，此骨干節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)都只在此時(shí)間片內(nèi)把采集到的數(shù)據(jù)上交，因此只要設(shè)計(jì)好各個(gè)時(shí)間片，就能有效避免設(shè)備之間的互相干擾。為了確保一個(gè)周期內(nèi)所有傳感器的采集數(shù)據(jù)都可以到達(dá)接收器，設(shè)計(jì)時(shí)先設(shè)定一個(gè)周期內(nèi)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(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)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(xiàn)。
是節(jié)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(jí)骨干節(jié)點(diǎn)時(shí)間片）。示例中有5 個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)，得到的時(shí)間片分別是0 至4，它們?cè)谝粋�(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(jí)三個(gè)傳感器，在工作時(shí)間內(nèi)中繼器獲得下級(jí)三個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。
2） 其次工作的是時(shí)間片3 的中繼器和它的下級(jí)兩個(gè)傳感器，在工作時(shí)間內(nèi)中繼器獲得下級(jí)兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。
3） 接下來工作的是時(shí)間片2 的中繼器和它的下級(jí)一個(gè)中繼器，在工作時(shí)間內(nèi)中繼器獲得的下級(jí)中繼器中保存的三個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。
4） 緊接著工作的是時(shí)間片1 的中繼器和它的下級(jí)兩個(gè)傳感器，在工作時(shí)間內(nèi)中繼器獲得下級(jí)兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。
5） 最后工作的是時(shí)間片0 的接收器和它的下級(jí)三個(gè)中繼器，在工作時(shí)間內(nèi)接收器獲得下級(jí)中繼器中所有保留的數(shù)據(jù)（7 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)）。
經(jīng)過一個(gè)周期，接收器就能獲得了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器的采集數(shù)據(jù)。
2.3 時(shí)隙控制
因?yàn)橐粋�(gè)骨干節(jié)點(diǎn)可能存在多個(gè)下級(jí)分支，所以在其特定時(shí)間片內(nèi)，骨干節(jié)點(diǎn)需要一次查詢多個(gè)下級(jí)節(jié)點(diǎn)。這種通訊控制是通過將節(jié)點(diǎn)分配在不同的時(shí)隙而完成的。如表1 所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入其所在的時(shí)間片內(nèi)，骨干節(jié)點(diǎn)率先發(fā)出數(shù)據(jù)信標(biāo)，而后其下級(jí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)依次將數(shù)據(jù)上報(bào)給中繼器。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)上報(bào)結(jié)束后，骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)送DataAck 結(jié)束通訊過程。表中最大19１個(gè)時(shí)隙是根據(jù)具體硬件條件設(shè)置。根據(jù)需要進(jìn)行通訊的下級(jí)節(jié)點(diǎn)的多少，時(shí)隙的個(gè)數(shù)是可變的。
2.4 重傳機(jī)制
重傳機(jī)制確保了通訊的可靠性。當(dāng)骨干節(jié)點(diǎn)某個(gè)下級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后，中繼器將發(fā)起下一輪通訊，用來單獨(dú)查詢傳輸失敗的下級(jí)節(jié)點(diǎn)。本協(xié)議規(guī)定的最大傳輸次數(shù)為3。如表3 所示，某骨干節(jié)點(diǎn)下級(jí)共有8 個(gè)傳感器，當(dāng)?shù)谝惠喭ㄓ嵵螅l(fā)現(xiàn)其中有3 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)失敗的3 個(gè)傳感器通訊。當(dāng)?shù)诙喭ㄓ嵔Y(jié)束，骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)仍然有1 個(gè)傳感器出現(xiàn)了問題。因此，在第三輪通訊之中，骨干節(jié)點(diǎn)只與這1 個(gè)傳感器通訊。
3 結(jié)論
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)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(duì)節(jié)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(fù)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)，它主要針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間做了嚴(yán)格的劃分，在硬件條件滿足的情況下，此協(xié)議能提高各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量利用率。
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