SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)的PSCP—FA機(jī)制研究

【摘要】本文開展了對(duì)SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)FA頻率跳變機(jī)制的研究，并且針對(duì)其信道切換時(shí)存在的信道選取盲目性問題，引入周期性同步機(jī)制和信道預(yù)測機(jī)制，改進(jìn)了原有的信道檢測模型，提出了一種基于周期性同步和信道預(yù)測的PSCP-FA網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)接入；信道預(yù)測；PSCP-FA

1.引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在社會(huì)各個(gè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，這對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗、低成本和短開發(fā)周期等方面，提出了更高的要求，而網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制一直是傳感器網(wǎng)絡(luò)中研究的重點(diǎn)。

2.網(wǎng)絡(luò)接入存在的問題

網(wǎng)絡(luò)的接入根據(jù)具體情況的不同，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中可能出現(xiàn)很多問題，一般可以將問題總結(jié)為以下幾個(gè)方面：（1）能量受限：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限，相對(duì)于其它無線網(wǎng)絡(luò)而言，能量也是在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)要首先考慮的因素。一般將造成這種能量的消耗的原因分成四種類型：1）數(shù)據(jù)碰撞（data collision）；2）串音（overhearing）；3）空閑偵聽（idle listening）；4）控制開銷（control overhead）。（2）頻率受限：無線網(wǎng)絡(luò)的通信頻段，在考慮無線電波傳輸技術(shù)的因素的同時(shí)，還應(yīng)該考慮政府對(duì)于頻段使用的相關(guān)政策法規(guī)。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和我國頻譜使用實(shí)際情況，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般使用2.4～2.4835GHz通信頻段。因此在頻率資源有限的情況下，為每個(gè)想要與其它終端節(jié)點(diǎn)通信的終端都獨(dú)立地分配一個(gè)信道是不現(xiàn)實(shí)的，因此應(yīng)盡量采用信道共享技術(shù)。（3）網(wǎng)絡(luò)可展性：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，節(jié)點(diǎn)分布情況會(huì)在網(wǎng)絡(luò)的生存過程中不斷的變化，節(jié)點(diǎn)位置也可能移動(dòng)，還有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的問題，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)特性，網(wǎng)絡(luò)接入也應(yīng)當(dāng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化的拓樸結(jié)構(gòu)。（4）網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)效率主要包括網(wǎng)絡(luò)公平性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，應(yīng)該盡可能的保證網(wǎng)絡(luò)的公平性，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存周期最大化。

3.網(wǎng)絡(luò)接入方式

3.1 TDMA接入方式

TDMA時(shí)分復(fù)用接入方式是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡單成熟的機(jī)制，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用TDMA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)槽，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)槽內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。TDMA機(jī)制的一些特點(diǎn)非常適合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求：TDMA機(jī)制沒有競爭機(jī)制的碰撞重傳問題；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過多的控制信息；節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)槽能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

TDMA接入方式如圖1所示，整個(gè)時(shí)間幀被分為多個(gè)時(shí)隙，在不同的時(shí)隙內(nèi)完成相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的通信和數(shù)據(jù)傳送交換，在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，將幀分為兩部分，一部分為控制幀，主要完成網(wǎng)絡(luò)的控制信息交換；另一部分為數(shù)據(jù)幀，主要完成節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送功能。TDMA接入方式需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步。時(shí)間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求：多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)都使用了偵聽/睡眠的能量喚醒機(jī)制，利用時(shí)間同步來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)化；節(jié)點(diǎn)之間為了完成任務(wù)需要協(xié)同工作，30這同樣不可避免地需要時(shí)間同步。TDMA機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在不足：很難調(diào)整時(shí)間幀的長度和時(shí)槽的分配；對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、節(jié)點(diǎn)失效等動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差；對(duì)于節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化也不敏感。

3.2 CSMA/CA接入方式

CSMA/CA接入方式是典型的基于競爭的隨機(jī)訪問信道接入方式，采用按需使用信道的方法。它的基本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競爭方式?jīng)Q定節(jié)點(diǎn)優(yōu)先使用無線信道，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。CSMA/CA（CSMA with collision avoidance）工作模式采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問協(xié)議，它可以作為基于競爭的隨機(jī)訪問信道接入方式的代表。

在CSMA/CA工作方式下，載波偵聽機(jī)制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，而虛擬載波偵聽由MAC層提供。如圖2所示，節(jié)點(diǎn)A希望向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C在A的無線通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)D在節(jié)點(diǎn)B的無線通信范圍內(nèi)，但不在節(jié)點(diǎn)A的無線通信范圍內(nèi)。節(jié)點(diǎn)A首先向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求幀Crequest-to-send，RTS），節(jié)點(diǎn)B返回一個(gè)清除幀（clear-to-send，CTS）進(jìn)行應(yīng)答。在這兩個(gè)幀中都有一個(gè)字段表示這次數(shù)據(jù)交換需要的時(shí)間長度，稱為網(wǎng)絡(luò)分配矢量（Network allocation vector，NAV），其他幀的MAC頭也會(huì)捎帶這一信息。節(jié)點(diǎn)C和D在偵聽到這個(gè)信息后，就不再發(fā)送任何數(shù)據(jù)，直到這次數(shù)據(jù)交換完成為止。NAV可看作一個(gè)計(jì)數(shù)器，以均勻速率遞減計(jì)數(shù)到零。當(dāng)計(jì)數(shù)器為零時(shí)，虛擬載波偵聽指示信道為空閑狀態(tài)；否則，指示信道為忙狀態(tài)。

4.SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)FA機(jī)制

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中引入了一種新型的FA（Frequency Agility）機(jī)制，F(xiàn)A機(jī)制的引入能夠有效解決網(wǎng)絡(luò)信道受到外界噪聲干撓的情況下，進(jìn)行相應(yīng)的信道切換，其原理如圖3所示。首先設(shè)定若干信道，假定將其分為n個(gè)信道，從Chanel 0到Chanel n，把時(shí)間軸分割為若干時(shí)隙，從t0到tn。在組網(wǎng)過程中，當(dāng)t0時(shí)刻節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，初始化成功將進(jìn)入默認(rèn)信道Chanel 0，又有節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)初始化進(jìn)入信道Chanel 0，假設(shè)在t1時(shí)刻，該信道被占用或出現(xiàn)大功率通信設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生干撓，發(fā)送端節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包后，在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到接收端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答回復(fù)，則發(fā)送端節(jié)點(diǎn)判定該信道故障，為了保證網(wǎng)絡(luò)正常通信，須采用頻率跳變FA方式，切換信道到可用的有效信道。在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度，當(dāng)切換信道后，數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)廣播幀，通知其它節(jié)點(diǎn)切換到相應(yīng)的通信信道。如果網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)休眠的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，假設(shè)t1時(shí)刻信道受到干撓，休眠的節(jié)點(diǎn)設(shè)備因無法接收到來自數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的廣播幀，則無法跳變到相應(yīng)頻道，tn時(shí)刻休眠狀態(tài)結(jié)束，此時(shí)，休眠的節(jié)點(diǎn)已與網(wǎng)絡(luò)通信中斷，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請(qǐng)求不能到來自數(shù)據(jù)中心的應(yīng)答回復(fù)，則說明通信信道已經(jīng)發(fā)生改變，此時(shí)采取輪詢的方式對(duì)信道進(jìn)行搜索，如果在發(fā)送請(qǐng)求信息后能接收到來自數(shù)據(jù)中心的應(yīng)答回復(fù)，則說明該信道通信有效可用，通信成功。

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)FA頻率跳變機(jī)制，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式上有了很大的改進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)通信可靠性增強(qiáng)，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗干撓能力，并且提高了頻譜利用率。

5.PSCP-FA網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制

5.1 FA機(jī)制存在的問題

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)采用FA機(jī)制，雖然相比于其它接入方式有效地解決了外界對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的干擾問題，但是FA機(jī)制卻存在一些問題：

①對(duì)于休眠的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，信道改變后，重新加入網(wǎng)絡(luò)過程中采用輪詢的方式進(jìn)行嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，加大了網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)開銷，如果信道個(gè)數(shù)比較多的情況下，采用此種方式使得網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)時(shí)間增大，同時(shí)還加重了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載；

②對(duì)于中心節(jié)點(diǎn)AP，在網(wǎng)絡(luò)受到干擾的情況下，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行FA時(shí)具有一定的盲目性，這對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，是一種很被動(dòng)的方式；基于上面的問題，我們結(jié)合TDMA和CSMA接入方式的基礎(chǔ)上，引入了周期性同步機(jī)制和信道預(yù)測機(jī)制，提出了一種基于周期性同步和信道預(yù)測的PSCP-FA網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制。

5.2 PSCP-FA

PSCP-FA網(wǎng)絡(luò)接入模型

在PSCP-FA接入方式中，主要分為兩個(gè)階段，一部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)周期性同步階段，另一部分為隨機(jī)訪問階段。在改進(jìn)型的FA模型中，引入了三個(gè)概念，分別為FA周期性同步幀，MRSSI信道預(yù)測算法和信道列表的概念。PSCP-FA網(wǎng)絡(luò)接入方式如圖4所示，在傳統(tǒng)的CSMA方式的基礎(chǔ)上增加了一定長度的FA周期性同步幀。

周期性同步階段主要分為三個(gè)部分，分別完成三個(gè)功能，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的同步；對(duì)各個(gè)子信道的通信質(zhì)量測試，并更新維護(hù)信道列表對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信道進(jìn)行有效的預(yù)測；在信道受到干擾的情況下，根據(jù)信道列表進(jìn)行相應(yīng)的頻率跳變，實(shí)現(xiàn)信道的切換。在隨機(jī)訪問階段，采用CSMA/CA的方式，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備仍采用隨機(jī)競爭的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。

5.3 PSCP-FA通信機(jī)制

根據(jù)上面所提到的信道周期性同步機(jī)制和MRSSI信道預(yù)測算法，PSCP-FA網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制如圖5所示。

其工作流程詳述如下：

①網(wǎng)絡(luò)建立成功，進(jìn)行第一次FA周期同步，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備偵聽到周期性同步信息幀；

②網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)入同步階段，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備進(jìn)行周期性校正，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備的同步；

③進(jìn)入MRSSI階段。ED節(jié)點(diǎn)設(shè)備向AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送RTS；

④執(zhí)行RSSI測量，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

⑤返回ACK包，ACK包中包含測量數(shù)據(jù)；

⑥執(zhí)行信道切換，進(jìn)行一下次RSSI信道測試，重復(fù)執(zhí)行（3）-（5）的步驟，直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中定義的信道測量完畢；

⑦更新網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備的信道列表CL的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表，進(jìn)入FA階段，判斷網(wǎng)絡(luò)是否進(jìn)行FA；

⑧根據(jù)數(shù)據(jù)列表CL的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表average項(xiàng)的值，執(zhí)行FA，改變通信頻率，

切換到相應(yīng)的信道；

⑨周期同步結(jié)束，進(jìn)入隨機(jī)訪問階段，網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備采用CSMA方式；

⑩等待下一FA周期同步幀的到來。

6.小結(jié)

本文重點(diǎn)研究SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)PSCP-FA機(jī)制。首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入方式存在的問題進(jìn)行分析，SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的FA機(jī)制能夠有效保證在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)受到外部干撓的情況下，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備通信的可靠性。但存在信道切換時(shí)信道選取盲目性的問題，為了解決這個(gè)問題，引入周期性同步機(jī)制和信道預(yù)測機(jī)機(jī)制，改進(jìn)了原有的信道檢測模型，提出了一種基于周期性同步和信道預(yù)測的PSCP-FA（periodicsynchronization and channel pediction FA）網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制。

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作者簡介：楊娜（1984—），女，商丘工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院教師。