基于L MA C協(xié)議的簇狀樹形無線傳感器網(wǎng)絡設計

王 劍

（長江大學 計算機科學學院，湖北 荊州 434023）

建立一個無線網(wǎng)絡的前提是選擇一個合理的網(wǎng)絡拓撲，網(wǎng)絡拓撲的結(jié)構(gòu)是決定網(wǎng)絡的成本、速度、特點和實現(xiàn)功能的基礎。隨著無線網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的設計也得到迅速發(fā)展。其中簇狀樹形無線傳感器網(wǎng)絡憑借其低功耗、健壯性和可擴性好的優(yōu)點已經(jīng)在各種領域中得到了廣泛的應用。本文在研究該網(wǎng)絡的基礎上，提出一種混合網(wǎng)絡協(xié)議，該協(xié)議以LMAC為主，結(jié)合分頻調(diào)度機制，采用主動和被動結(jié)合式路由，在環(huán)境監(jiān)測領域中得到良好運用。在四湖流域濕地監(jiān)測的課題中，該網(wǎng)絡經(jīng)測試具有功耗低、時延小、網(wǎng)絡擴展性好等諸多優(yōu)點。

1 簇狀樹形網(wǎng)絡

簇狀樹形網(wǎng)絡提供了一種降低網(wǎng)絡能耗，便宜網(wǎng)絡規(guī)模擴展的方法。如圖1所示 簇狀樹形網(wǎng)絡由多層的簇構(gòu)成，傳感器節(jié)點和簇頭構(gòu)成第一級簇，一級簇頭構(gòu)成第二級簇，以此類推直到SINK，從整個網(wǎng)絡拓撲上看是一個樹狀結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點傳輸?shù)揭患壌仡^，再由一級簇頭轉(zhuǎn)發(fā)到二級簇頭，依次直到SINK。簇狀樹形拓撲結(jié)構(gòu)便于網(wǎng)絡的部署，合理地將已有的終端節(jié)點作為簇頭的布放位置，在流程上將同區(qū)域的傳感節(jié)點構(gòu)成一個簇，便于對數(shù)據(jù)進行融合處理和容錯判斷。從網(wǎng)絡布局上，每個傳感節(jié)點都是一跳和簇頭進行通信，降低傳感節(jié)點不必要的轉(zhuǎn)發(fā)能耗；簇狀網(wǎng)絡的另一個主要優(yōu)點是便于網(wǎng)絡的擴展，有利于無線自組網(wǎng)絡模式的應用[1]。

圖1 簇狀樹形無線自組網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2 LMAC協(xié)議

LMAC協(xié)議是一種基于分布式TDMA的信道接入?yún)f(xié)議。它通過在時間上把信道分成許多時隙,形成一個固定長度的幀結(jié)構(gòu)。一個時隙包含一個業(yè)務控制時段和固定長度的數(shù)據(jù)時段。幀結(jié)構(gòu)的管理機制非常簡單,每個節(jié)點控制一個時隙。當一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時,它會一直等待,直到屬于自己的時隙到來。在每個時隙的控制時段內(nèi),節(jié)點首先廣播消息頭 (消息頭中詳細描述了發(fā)送消息的接收節(jié)點地址和消息長度),然后馬上發(fā)送數(shù)據(jù);監(jiān)聽到消息頭的節(jié)點,如果發(fā)現(xiàn)自己不是此消息的接收者,它會將自己的無線裝置關閉[3]。因此，LMAC不需要時間同步要求。

3 簇狀樹形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)混合LMAC協(xié)議

LMAC協(xié)議的不足之處主要有兩點：一是入網(wǎng)節(jié)點必須監(jiān)聽整個幀結(jié)構(gòu)中的所有控制時段，二是要求節(jié)點維護的幀結(jié)構(gòu)時隙大小與網(wǎng)絡的規(guī)模有關，當網(wǎng)絡擴展后幀長度增加，造成數(shù)據(jù)傳輸時延增大，不利于無線傳感器網(wǎng)絡的擴展。

因此，本文提出以簇狀樹形拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合LMAC協(xié)議，改善LMAC協(xié)議的不足之處，設計了強調(diào)低功耗的混合型LMAC協(xié)議。

3.1 協(xié)議基本流程

協(xié)議的基本流程如下：

（1）SINK啟動后周期性的掃描頻道，準備接收簇頭請求；

（2）傳感節(jié)點啟動之后，掃描各簇頻道，查詢周圍的簇頭，選擇鄰居數(shù)最多的簇頭加入本簇，并由簇頭分配節(jié)點ID；

（3）傳感節(jié)點等待自身的時隙到來，首先廣播消息頭（消息頭中詳細描述了發(fā)送消息的接收節(jié)點ID和消息長度），在自身的業(yè)務控制時段發(fā)送固定長度的數(shù)據(jù)包給簇頭，如不是該節(jié)點的消息則該節(jié)點關閉無線裝置；

（4）簇頭將節(jié)點的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理，向SINK請求頻道，之后向SINK發(fā)送數(shù)據(jù)。

與其他的MAC協(xié)議相比,接收端正確接收一個消息后,LMAC協(xié)議不需要向發(fā)送端回送確認消息,簇內(nèi)LMAC協(xié)議采用通過讓節(jié)點選擇一個在兩跳范圍內(nèi)的無重用時隙來調(diào)度“幀結(jié)構(gòu)”。其業(yè)務控制部分包含了詳細的描述時隙占用信息的位組,入網(wǎng)的新節(jié)點先偵聽整個幀結(jié)構(gòu),掃描所有節(jié)點的時隙占用位組,計算出空閑時隙，在節(jié)點競爭下占用與其最近的空閑時隙，將該時隙標記為占用,并在下一個幀中相應時隙進行監(jiān)聽。圖2說明了LMAC協(xié)議的網(wǎng)絡節(jié)點時隙調(diào)度況。

圖2 LMAC協(xié)議的網(wǎng)絡節(jié)點時隙調(diào)度

基本過程如下：如圖2所示原有網(wǎng)絡（節(jié)點1-7），圓圈內(nèi)即節(jié)點號，亦代表該節(jié)點在周期幀中的時隙號；而節(jié)點旁顯示的是幀時隙占用的位序列，其中0表示該位對應的空閑時隙；新入網(wǎng)節(jié)點偵聽幀結(jié)構(gòu)中的控制時段，獲取鄰居節(jié)點位組信息，新節(jié)點計算得到鄰居節(jié)點時隙占用情況分布，只有第4位為0，則新節(jié)點即選擇第4位對應空閑時隙作為時隙業(yè)務控制時段，當新節(jié)點時隙到來時修改該幀時隙位組信息，將第4位修改為1。

3.2 簇間信道切換

簇內(nèi)LMAC是單信道數(shù)據(jù)傳輸，簇間則采用信道切換的方式傳輸數(shù)據(jù)。樹形網(wǎng)絡內(nèi)設置等數(shù)量個不同頻道，以配合不同簇頭。Sink持續(xù)在各頻道間切換，當一級簇頭i具有發(fā)送數(shù)據(jù)包時向Sink發(fā)送“數(shù)據(jù)請求發(fā)送”，當Sink切換到與該簇頭ID為i相同的頻道并接收到“數(shù)據(jù)發(fā)送請求”時，就立即停止切換頻道，并向簇頭返回確認消息。經(jīng)此握手后則進入數(shù)據(jù)傳輸階段。當數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，Sink繼續(xù)從i+1簇頭對應頻道進行掃描切換。因此，簇狀網(wǎng)絡節(jié)點最終形成整體樹形網(wǎng)絡。

3.3 路由設置

簇狀樹形無線網(wǎng)絡路由協(xié)議采用混合式路由協(xié)議,在LMAC協(xié)議下將主動式路由和被動式路由進行有效結(jié)合。在簇的內(nèi)部,所有節(jié)點周期維護簇內(nèi)的完整路由信息,保障在簇內(nèi)通信的響應時間段,屬于主動式路由維護;在簇的外部,采用了按需路由協(xié)議,即當節(jié)點有數(shù)據(jù)包發(fā)送但沒有該節(jié)點的路由時,由成員節(jié)點向簇首節(jié)點發(fā)送路由請求消息,簇首節(jié)點周期維護鄰接簇表,減少簇間通信時的響應時間[2]。

過程實施則通過建立并維護路由表來獲得目的節(jié)點的路由信息。路由表中主要包括以下信息:目的地址、目的簇首地址、下一跳地址、下一跳簇首地址、跳數(shù)、有效時間。簇首節(jié)點建立和維護簇內(nèi)路由表的過程類似主動式路由協(xié)議;簇間路由表的建立與維護是簇間數(shù)據(jù)傳輸時延能夠降低的關鍵。

4 應用結(jié)果

根據(jù)上述分析，提出在四湖流域?qū)嶋H應用的一種適應濕地生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，采用基于LMAC協(xié)議的簇狀樹形Zigbee網(wǎng)絡模式實現(xiàn)對多地域多核心參數(shù)實時不間斷精確測量，同時測量結(jié)果能以GPRS和INTERNET雙網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而且被測環(huán)境急劇變化時經(jīng)二級預警優(yōu)化算法處理后以報警方式通知管理者[5]。

圖3 濕地監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

以溫度、pH值、電導率、溶氧、土壤濕度和濁度六個參數(shù)為研究范本，在四湖流域西干渠荊州監(jiān)測地域內(nèi)布置144個終端節(jié)點，對周邊環(huán)境參數(shù)進行每小時1次主動查詢節(jié)點數(shù)據(jù)，如圖4所示為某時間段8小時內(nèi)某終端節(jié)點部分測量參數(shù)變化折線圖。對比現(xiàn)場實際采樣范本檢測數(shù)據(jù)，上述6項參數(shù)測量誤差均符合預期要求。同時布置所有節(jié)點均順利自組網(wǎng)絡,經(jīng)測算網(wǎng)絡實際開銷小于3.5%。

圖4 某時間段某終端節(jié)點參數(shù)變化折線圖

圖5 當前6個月內(nèi)節(jié)點供電情況變化圖

如圖5所示6個月內(nèi)節(jié)點供電情況變化，終端節(jié)點攜帶有水溫、濁度、pH值、溶氧等多種傳感器，能夠?qū)崟r不間斷的監(jiān)測濕地各種關鍵參數(shù)，測試網(wǎng)絡6個月內(nèi)終端節(jié)點電源供電僅下降了0.35V，功耗很低。測算簇內(nèi)和簇間終端節(jié)點時延，如圖6所示。

圖6 節(jié)點間時延

5 結(jié)語

本文在研究LMAC協(xié)議的基礎上，針對LMAC協(xié)議的不足之處，提出采用結(jié)合簇狀樹形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的方法設計無線傳感器網(wǎng)絡。以強調(diào)低功耗為設計指標，在樹形網(wǎng)絡簇狀內(nèi)部以單信道LMAC協(xié)議作為MAC層，簇間采用循環(huán)信道切換實施數(shù)據(jù)傳輸，有效地解決了LMAC協(xié)議下網(wǎng)絡時延較差，擴展性不佳的不足之處。經(jīng)在四湖流域的濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實驗證明，該方法較好的解決了上述問題。

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