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基于時分復用的一種無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議的設計
引言
無線傳感器網(wǎng)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(fā)現(xiàn)和研究。在無線傳感器網(wǎng)絡中，MAC 協(xié)議決定了無線通道的使用方式，在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來建立網(wǎng)絡可靠的點到點或者點到多點的通信鏈路。MAC 協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的底層部分，對傳感器網(wǎng)絡的性能有較大影響。MAC 協(xié)議設計的好壞是保證無線傳感器網(wǎng)絡通信高效與否的關鍵因素之一。
在設計無線傳感器網(wǎng)絡的MAC 協(xié)議時，主要需要考慮以下三個方面：節(jié)省能量，可擴展性和網(wǎng)絡效率。以上三個方面，重要性一般是依次減低。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，節(jié)點能夠連續(xù)地獲得能量供應，整個網(wǎng)絡的拓撲結構相對穩(wěn)定，網(wǎng)絡的變化范圍和變化頻率都比較小，因此傳統(tǒng)網(wǎng)絡的MAC 協(xié)議重點考慮節(jié)點使用帶寬的公平性、提高帶寬的利用率以及增加網(wǎng)絡的實時性。而在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點的能量供應問題沒有得到很好的解決，節(jié)點本身就不能自動補充能量或能量補充不足，所以節(jié)約能量就變成了無線傳感器網(wǎng)絡MAC 協(xié)議設計時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訪問信道方式分類可以分為：基于競爭的ＭＡＣ協(xié)議，基于時分復用的ＭＡＣ協(xié)議，其他類型的ＭＡＣ協(xié)議。
1.1 基于競爭的 MAC 協(xié)議
基于競爭的隨機訪問MAC 協(xié)議采用按需使用通道的方式，其基本思想是當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線通道，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。典型的基于競爭的隨機訪問MAC 協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)。在IEEE 802.11 MAC 協(xié)議[1]的基礎上，研究者提出了多個基于競爭的MAC協(xié)議用于傳感器網(wǎng)絡。比如：S-MAC 協(xié)議，T-MAC 協(xié)議等等。
1.2 基于時分復用的 MAC 協(xié)定
時分復用是實現(xiàn)通道分配的簡單成熟的機制，現(xiàn)在應用較廣的藍牙網(wǎng)絡就是采用了時分復用的MAC 協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡中采取時分復用機制，就是為每個節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時間片，節(jié)點在其它空閑時間片內(nèi)則轉入睡眠狀態(tài)。
1.3 其它類型的 MAC 協(xié)議
基于時分復用的MAC 協(xié)議也有自己的缺點，比如網(wǎng)絡擴展性較差，需要節(jié)點間嚴格的時間同步，對能量和計算能力有限的節(jié)點而言實現(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 相結合的方法，為每對節(jié)點分配互不干擾的信道實現(xiàn)消息傳輸，從而增強協(xié)議的擴展性。
2 基于時分復用的一種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，基于周期性的時分復用ＭＡＣ協(xié)議。協(xié)議對每個節(jié)點劃分了具體的工作時間片和工作時隙，最大地節(jié)省了節(jié)點的耗電量，而且增加了重傳機制，能有效提高系統(tǒng)發(fā)送的成功率。
2.1 網(wǎng)絡結構
無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡。接收器是整個無線傳感器網(wǎng)絡信息的集結點；中繼器的主要工作就是收集它的下級節(jié)點（包括中繼器和傳感器）的采集信息并轉發(fā)給它的上級節(jié)點（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(jié)點（包括中繼器或者接收器），它自身沒有轉發(fā)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(shù)據(jù)，因而也稱為為骨干節(jié)點。整個無線傳感器網(wǎng)絡拓撲圖所示。
2.2 時間片劃分
每個骨干節(jié)點都有自己的時間片，此骨干節(jié)點的下級節(jié)點都只在此時間片內(nèi)把采集到的數(shù)據(jù)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(nèi)所有傳感器的采集數(shù)據(jù)都可以到達接收器，設計時先設定一個周期內(nèi)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(jié)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(xié)議中實現(xiàn)。
是節(jié)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(jié)點時間片）。示例中有5 個骨干節(jié)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(nèi)中繼器獲得下級三個傳感器的數(shù)據(jù)。
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(nèi)中繼器獲得下級兩個傳感器的數(shù)據(jù)。
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(nèi)中繼器獲得的下級中繼器中保存的三個傳感器的數(shù)據(jù)。
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(nèi)中繼器獲得下級兩個傳感器的數(shù)據(jù)。
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(nèi)接收器獲得下級中繼器中所有保留的數(shù)據(jù)（7 個傳感器的數(shù)據(jù)）。
經(jīng)過一個周期，接收器就能獲得了無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)所有傳感器的采集數(shù)據(jù)。
2.3 時隙控制
因為一個骨干節(jié)點可能存在多個下級分支，所以在其特定時間片內(nèi)，骨干節(jié)點需要一次查詢多個下級節(jié)點。這種通訊控制是通過將節(jié)點分配在不同的時隙而完成的。如表1 所示，當節(jié)點進入其所在的時間片內(nèi)，骨干節(jié)點率先發(fā)出數(shù)據(jù)信標，而后其下級各個節(jié)點依次將數(shù)據(jù)上報給中繼器。當所有節(jié)點上報結束后，骨干節(jié)點發(fā)送DataAck 結束通訊過程。表中最大19１個時隙是根據(jù)具體硬件條件設置。根據(jù)需要進行通訊的下級節(jié)點的多少，時隙的個數(shù)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(jié)點某個下級節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后，中繼器將發(fā)起下一輪通訊，用來單獨查詢傳輸失敗的下級節(jié)點。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)點下級共有8 個傳感器，當?shù)谝惠喭ㄓ嵵螅l(fā)現(xiàn)其中有3 個傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。這時，中繼器會發(fā)起第二輪通訊。在第二輪通訊中，中繼器只會和上一輪發(fā)送數(shù)據(jù)失敗的3 個傳感器通訊。當?shù)诙喭ㄓ嵔Y束，骨干節(jié)點發(fā)現(xiàn)仍然有1 個傳感器出現(xiàn)了問題。因此，在第三輪通訊之中，骨干節(jié)點只與這1 個傳感器通訊。
3 結論
在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)約能量是首要考慮的因素。MAC 協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的底層部分，對節(jié)約能量起到?jīng)Q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(wǎng)絡MAC 協(xié)議設計，它主要針對實際應用的一種網(wǎng)絡結構，對各個節(jié)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(xié)議能提高各個節(jié)點的能量利用率。
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