一種無線傳感器網(wǎng)絡動態(tài)多信道MAC 協(xié)議

張 軒 劉 野 劉 昊 李智群

(1 東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術研究中心，南京210096)

(2 東南大學射頻與光電集成電路研究所，南京210096)

無線傳感器網(wǎng)絡是一種利用傳感器節(jié)點監(jiān)測環(huán)境并向匯聚節(jié)點報告感知信息的多跳自組織網(wǎng)絡.它提供了一種新型智能信息獲取模式，在入侵檢測、目標跟蹤、工業(yè)自動化和醫(yī)療監(jiān)護等領域得到廣泛應用，并逐漸步入大規(guī)模部署階段［1-3］.

在這些應用場景中節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)時會導致碰撞，造成傳輸延時增大、數(shù)據(jù)包丟失及錯誤命令等問題，網(wǎng)絡服務質(zhì)量(QoS)受到嚴重影響.此外，無線傳感器網(wǎng)絡主要工作在2.4 GHz ISM 頻段，會和WiFi 等無線網(wǎng)絡共用這一頻段，無線信道所具備的開放共享特征決定了這些網(wǎng)絡之間存在互相干擾.文獻［4-6］的研究均表明WiFi 嚴重影響無線傳感器網(wǎng)絡的服務質(zhì)量.

為了保證網(wǎng)絡服務質(zhì)量，早期無線傳感器網(wǎng)絡MAC 協(xié)議研究主要針對單信道MAC 協(xié)議進行優(yōu)化.文獻［7］利用接收方主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C制代替?zhèn)鹘y(tǒng)MAC 協(xié)議的長前導機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸預約.這種方法提升了信道利用率，從而能夠適應突發(fā)高流量負載.文獻［8］利用單跳協(xié)作反饋、預約數(shù)據(jù)交互等機制大幅度減少傳輸碰撞，降低了節(jié)點能耗和數(shù)據(jù)延時.文獻［9］通過實測評估了多網(wǎng)共存環(huán)境下單信道MAC 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，并在此基礎上提出了多次握手、批量傳輸、擁塞退避等機制.

目前無線傳感器網(wǎng)絡收發(fā)機芯片普遍提供多信道支持.通過創(chuàng)新的多信道MAC 協(xié)議機制提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量已成為研究熱點.文獻［10］針對無線傳感器網(wǎng)絡提出一個多信道MAC 協(xié)議，給出4種靜態(tài)信道分配方法，將信道分配給兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點，從而降低內(nèi)部節(jié)點干擾.但是這種靜態(tài)多信道MAC 協(xié)議對WiFi 的干擾及惡意網(wǎng)絡攻擊抵抗能力不強［11］.文獻［12］提出一種基于控制信道的多信道MAC 協(xié)議，在每次數(shù)據(jù)傳輸前，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點首先跳轉(zhuǎn)到一個控制信道協(xié)商傳輸信道，以便節(jié)點間無干擾通信，但控制信道的帶寬限制成為網(wǎng)絡瓶頸.文獻［13］提出一種主動跳頻多信道MAC 協(xié)議，每個周期隨機選擇接收信道，從而解決控制信道瓶頸和干擾問題.但隨機跳頻一方面無法保證快速跳出外部干擾頻段，另一方面增加了內(nèi)部節(jié)點傳輸沖突.

針對上述問題，本文提出一種動態(tài)多信道MAC(dynamic multichannel MAC，DM-MAC)協(xié)議.該方案通過協(xié)作跳頻方式，一方面避免了突發(fā)流量負載時內(nèi)部節(jié)點數(shù)據(jù)包同時傳輸造成的碰撞，另一方面當存在外部網(wǎng)絡干擾時能快速跳出干擾頻段.仿真結(jié)果表明，該協(xié)議有效地減少了數(shù)據(jù)傳輸延時，保證了網(wǎng)絡服務質(zhì)量.

1 網(wǎng)絡模型

本文考慮N 個傳感器節(jié)點隨機分布在感知區(qū)域，通過多跳傳輸將信息報告給匯聚節(jié)點.節(jié)點可在多個信道間切換，但同一時刻只能在單一信道進行發(fā)送或接收.鏈路質(zhì)量在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定.網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點保持同步且工作在占空比模式，即每個節(jié)點根據(jù)調(diào)度表在活躍狀態(tài)與睡眠狀態(tài)之間切換.在睡眠狀態(tài)下，節(jié)點只開啟一個定時器用來喚醒自己，因此節(jié)點只有在活躍狀態(tài)下才能發(fā)送或接收數(shù)據(jù).當產(chǎn)生感知數(shù)據(jù)時，發(fā)送節(jié)點將信道切換到目的節(jié)點信道，并在活躍期進行數(shù)據(jù)傳輸.

2 DM-MAC 協(xié)議

DM-MAC 協(xié)議包括3 個方面:初始信道分配、周期信道轉(zhuǎn)換和信道集更新處理.節(jié)點通過初始信道分配確定自己的起始跳頻信道.然后，根據(jù)起始信道確定的跳頻序列進行周期信道轉(zhuǎn)換.最后，當可用信道集發(fā)生變化時，節(jié)點的跳頻序列需要作出相應調(diào)整.

2.1 初始信道分配

系統(tǒng)配置初期，所有無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點都在默認信道完成初始化工作.初始信道任務分配通過分布式算法實現(xiàn).當未分配到初始信道時，節(jié)點偵聽信道并廣播分配請求幀(assignment request frame，ARF).鄰居節(jié)點接收到ARF 后隨機退避并回復確認幀(acknowledgement，ACK).通過上述2次握手，節(jié)點就可以建立自己的鄰居鏈表，然后按照鄰居節(jié)點地址大小，依次將可用信道分配給鄰居節(jié)點作為其起始跳頻信道.當鄰居節(jié)點數(shù)量不大于可用信道數(shù)時，每個節(jié)點都可以分配到不同的信道，進而避免信道競爭.當鄰居節(jié)點數(shù)量超出可用信道數(shù)時，根據(jù)最小重復原則分配起始信道，即將可用信道平均分配給所有鄰居節(jié)點.最后，節(jié)點廣播分配完成幀(assignment finish frame，AFF)，實現(xiàn)第3 次握手.鄰居節(jié)點接收到AFF 后，將信道分配信息記錄到鄰居鏈表中.如果接收到ARF 時，節(jié)點已經(jīng)完成初始信道分配工作，那么它就在ACK 中將自己的分配結(jié)果告知請求節(jié)點.請求節(jié)點不再對此節(jié)點進行重新分配.

圖1給出了DM-MAC 協(xié)議初始信道分配的一個示例.首先，節(jié)點S 廣播ARF 發(fā)出信道分配請求.節(jié)點A 和節(jié)點B 接收到ARF 后，發(fā)出ACK 進行確認.然后，節(jié)點S 根據(jù)最小重復原則為每個節(jié)點分配起始信道.當前無線傳感器網(wǎng)絡收發(fā)機最多可以提供16 個獨立信道，因此本文使用2 個字節(jié)(16 比特位)表示分配情況.節(jié)點S 將第1 個可用信道作為自己的起始信道，第1 個比特位置1，其他比特位置0.

圖1 DM-MAC 協(xié)議初始信道分配

設定節(jié)點A 和節(jié)點B 的起始信道分別為第2和第3 個可用信道，因此相應比特位置1.最后，將所有分配結(jié)果載入到AFF 中，并進行廣播完成第3次握手.當節(jié)點A 競爭到信道并發(fā)送ARF 后，節(jié)點S 和節(jié)點B 的ACK 中包含自己的起始信道號.節(jié)點C 和節(jié)點D 的ACK 中相應位置0，表示自己沒有分配到起始信道.由于前3 個信道已經(jīng)被分配，節(jié)點A 將第4 和第5 個可用信道分別分配給節(jié)點C 和節(jié)點D.

2.2 周期信道轉(zhuǎn)換

網(wǎng)絡初始化配置完畢后，節(jié)點進入工作模式.每個工作周期節(jié)點在不同信道喚醒偵聽，從而降低內(nèi)部信道競爭和外部網(wǎng)絡干擾與攻擊帶來的影響.然而，當網(wǎng)絡密度增大或可用信道數(shù)較少時，鄰居節(jié)點根據(jù)偽隨機序列跳轉(zhuǎn)到相同信道的概率大大增加.文獻［13］提出一種TDMA 優(yōu)化機制，將一個周期分成多個子時隙，通過時分復用的方法減少隨機跳頻干擾.但多個子時隙浪費帶寬，因此如何高效分配信道和子時隙成為一個難題［14］.本文從頻域角度分析，構(gòu)造拉丁矩陣跳頻序列來解決隨機跳頻干擾問題.

設A 為m ×n 階矩陣，其元素由1，2，3，…，n組成，其中m≤n.如果矩陣A 中每一行和每一列的元素不重復，那么稱A 為m ×n 階拉丁矩陣.下面是一個4 ×6 階拉丁矩陣:

可看出，矩陣A 中每一行元素都由1，2，3，…，6 組成，且每一列元素不重復.如果將矩陣的每一行作為一個跳頻序列分配給不同節(jié)點，每一列看作一個工作周期，那么內(nèi)部節(jié)點信道干擾將得到改善.

如果在干擾范圍內(nèi)，節(jié)點數(shù)量過多或可用信道數(shù)少，就會出現(xiàn)2 個節(jié)點擁有相同跳頻序列現(xiàn)象，當它們同時發(fā)送數(shù)據(jù)時就會出現(xiàn)信道競爭，造成數(shù)據(jù)包丟失，產(chǎn)生不必要的能量消耗［15］.傳統(tǒng)隨機退避方法在突發(fā)高流量負載情況下，會使發(fā)送節(jié)點能耗大大增加.因此，在DM-MAC 協(xié)議中，本文采用下周期數(shù)據(jù)重傳的方法來解決上述問題，即當節(jié)點競爭信道失敗或未收到數(shù)據(jù)確認幀后，就轉(zhuǎn)入到睡眠狀態(tài)，下一個工作周期再進行數(shù)據(jù)重傳.

2.3 外部干擾避免與信道集更新處理

當前WiFi 產(chǎn)品的主要通信標準為IEEE 802.11 b/g，無線傳感器網(wǎng)絡的主要通信標準為IEEE 802.15.4.如圖2所示，IEEE 802.15.4 和IEEE 802.11 的信道分布在相同頻段，而且一個IEEE 802.11 信道可影響到4 個IEEE 802.15.4 信道.如果按照順序進行跳頻，節(jié)點會長時間處在干擾頻段內(nèi).隨機跳頻同樣不能保證下個周期將傳輸信道轉(zhuǎn)換到干擾頻段之外，當可用信道數(shù)變小或WiFi 干擾源增多時，情況會愈加嚴重.

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡與WiFi 網(wǎng)絡信道分布

為了減緩外部網(wǎng)絡干擾對服務質(zhì)量的影響，下面對拉丁跳頻矩陣進行改進.

當可用信道數(shù)N≤4 時，

當可用信道數(shù)N ＞4 時，

式中，Xn為當前工作周期節(jié)點所處的信道號;Xn+1為下一個工作周期節(jié)點應該跳轉(zhuǎn)到的信道號.初始值X0是節(jié)點進行初始化時所分配到的信道.圖3給出了根據(jù)式(2)和(3)計算得到的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖.例如，當可用信道為9 個時，起始信道為1 的節(jié)點的跳頻序列為1-5-9-2-6-3-7-4-1.由于最大信道數(shù)為9，在節(jié)點當前信道為9 時，下一周期將會跳轉(zhuǎn)到2 號信道，而非13 號信道.圖3中的數(shù)字并不代表IEEE 802.15.4 的相應信道號，而是可使用信道集合中的信道序列號.例如，8 號狀態(tài)可能是18號信道、20 號信道，也有可能是26 號信道.

圖3 信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真環(huán)境與實驗設計

將DM-MAC 協(xié)議和MuCHMAC 協(xié)議在網(wǎng)絡仿真軟件NS2 中實現(xiàn).通過一系列實驗，對它們能提供的服務質(zhì)量進行對比分析.在節(jié)點的配置中，傳輸層協(xié)議為UDP，并采用DSR 路由協(xié)議，設置天線為Omni-Antenna 類型，無線傳輸為Two-Ray-Ground 類型.其他仿真參數(shù)如表1所示.在廣播周期中網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點都在相同信道，且本周期不發(fā)送單播數(shù)據(jù)包.

表1 仿真參數(shù)設置

為了分析網(wǎng)絡內(nèi)部干擾情況，在感知區(qū)域內(nèi)設置4 組節(jié)點(4 個發(fā)送節(jié)點和4 個接收節(jié)點)，每對節(jié)點間隔100 m.因此，所有節(jié)點都在其他節(jié)點的載波偵聽半徑內(nèi).通過不同的數(shù)據(jù)流數(shù)和可用信道數(shù)改變內(nèi)部干擾程度.節(jié)點同時觸發(fā)數(shù)據(jù)，并在活躍狀態(tài)時競爭發(fā)送數(shù)據(jù).單跳性能分析完成后，在第2 個場景中設置20 個節(jié)點，形成4 ×5 網(wǎng)格拓撲.不同數(shù)據(jù)流間隔100 m，每跳節(jié)點間隔200 m.每次觸發(fā)數(shù)據(jù)時，4 條數(shù)據(jù)流同時進行傳輸.通過改變傳輸跳數(shù)來分析多跳情況下內(nèi)部干擾性能.

最后設置2 個場景來評估當網(wǎng)絡受到外部干擾時的性能.第1 個場景模擬在同一區(qū)域內(nèi)分別有一對無線傳感器節(jié)點和一對WiFi 干擾源，WiFi 干擾源在一個信道上持續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸.通過改變可用信道數(shù)目來分析信道數(shù)量變化對DM-MAC 協(xié)議和MuCHMAC 協(xié)議的影響.第2 個場景用于分析WiFi 干擾源數(shù)量的變化對2 個協(xié)議的影響，將無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點可用信道數(shù)目固定，增加WiFi 干擾數(shù)量，且使每個干擾源信道沒有重疊.

3.2 內(nèi)部干擾結(jié)果分析

圖4顯示了DM-MAC 協(xié)議和MuCHMAC 協(xié)議在突發(fā)流量情況下，數(shù)據(jù)平均端到端的延時結(jié)果.其中，圖4(a)給出了單跳傳輸延時變化曲線，圖4(b)給出了多跳傳輸延時變化曲線.在單跳傳輸時，MuCHMAC 數(shù)據(jù)延時隨可用信道數(shù)量的增加而減少.這是因為多個節(jié)點在同一周期選擇相同信道的概率明顯降低.MuCHMAC 數(shù)據(jù)延時隨數(shù)據(jù)流數(shù)增加而上升，這是發(fā)送節(jié)點增多，信道競爭加劇的結(jié)果.DM-MAC 協(xié)議在這2 種情況下，都保持著理想信道情況下的理論最優(yōu)值.這是因為根據(jù)拉丁矩陣跳頻，每個節(jié)點在同一周期都可以選擇不同的信道進行數(shù)據(jù)傳輸，避免了網(wǎng)絡內(nèi)部信道競爭.由于MuCHMAC 的單跳平均數(shù)據(jù)延時高于DM-MAC，當節(jié)點在進行多跳傳輸時，MuCHMAC的數(shù)據(jù)多跳延時明顯高于DM-MAC.

圖4 網(wǎng)絡內(nèi)部干擾性能比較

3.3 外部干擾結(jié)果分析

圖5顯示了DM-MAC 協(xié)議和MuCHMAC 協(xié)議在WiFi 干擾情況下數(shù)據(jù)端到端延時累積分布函數(shù).其中，圖5(a)給出了受到一個WiFi 干擾源影響時，可用信道數(shù)量變化對DM-MAC 和MuCHMAC 的數(shù)據(jù)延時累積分布函數(shù)的影響，圖5(b)給出了WiFi 干擾源數(shù)量的變化對2 個協(xié)議的數(shù)據(jù)延時累積分布函數(shù)的影響.存在一個WiFi 干擾源影響情況下，當可用信道為16 個時，DM-MAC 的延時上限為2 s，而MuCHMAC 的延時上限為3.81 s，其中有大約10%的數(shù)據(jù)延時超過2 s.然而，當可用信道數(shù)減少到8 個時，MuCHMAC 的延時上限高達9.01 s，約22%的數(shù)據(jù)延時超過DM-MAC 的延時上限(3 s).當信道非重疊WiFi 干擾源增加到3 個時，無線傳感器節(jié)點可利用的無干擾信道只有4 個.這時DM-MAC 最多在第5 個工作周期(其中有一個廣播周期不發(fā)送單播包)就可以輪詢無干擾信道，而MuCHMAC 的隨機跳頻機制要經(jīng)過長時間才能跳轉(zhuǎn)到無干擾信道.因此，這時MuCHMAC 的性能急劇惡化.

圖5 外部網(wǎng)絡干擾性能比較

4 結(jié)語

本文提出了一種動態(tài)多信道MAC 協(xié)議DMMAC.該協(xié)議通過3 次握手機制和構(gòu)造拉丁跳頻矩陣，有效地降低了突發(fā)流量傳輸時網(wǎng)絡中節(jié)點間的內(nèi)部干擾，實現(xiàn)了感知數(shù)據(jù)的快速多跳傳輸.利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖增加了節(jié)點跳頻信道偏移量，在可用信道數(shù)量發(fā)生變化時重構(gòu)跳頻序列，增強了無線傳感器網(wǎng)絡對WiFi 網(wǎng)絡干擾的適應能力.通過仿真實驗對DM-MAC 協(xié)議進行分析，實驗結(jié)果顯示:與MuCHMAC 協(xié)議相比，DM-MAC 在抗內(nèi)部干擾方面，平均數(shù)據(jù)延時性能得到明顯提升;當存在WiFi 網(wǎng)絡干擾時，DM-MAC 明顯減少了數(shù)據(jù)傳輸延時上限，從而獲得了更優(yōu)的服務質(zhì)量.

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