信道接入?yún)f(xié)議對網(wǎng)絡的性能起著決定性的作用，是WSNs技術的研究重點之一。單信道的信道接入?yún)f(xié)議在節(jié)點規(guī)模增大時，網(wǎng)絡性能明顯變差。采用多信道機制,可以提高網(wǎng)絡吞吐量，減小傳播延時，降低沖突的概率，更易于支持網(wǎng)絡的QoS(Quality of Service)保障。多信道協(xié)議主要應解決兩個問題：信道分配和接入控制，信道分配是要為不同的通信節(jié)點分配相應的信道，接入控制是確定節(jié)點接入信道的時機，解決好競爭和沖突的避免問題。本文介紹3種多信道的信道接入?yún)f(xié)議：多信道的CSMA(Carrier Sense Multiple Access)，F(xiàn)AMAC(Frequency Assignment based multi-channel Multiple Access Control)，DCA-PC，其中DCA-PC是本文的重點。
基于CSMA和FAMAC的多信道MAC層協(xié)議
● 多信道CSMA
是一種基于載波監(jiān)聽的信道接入?yún)f(xié)議。其設計目標是通過使用多信道來減少隱終端問題的影響，減少數(shù)據(jù)報文的沖突。它采用準信道預留技術，通過分布式的載波監(jiān)聽來對多個信道進行分配。
準信道預留技術的原理是：當節(jié)點發(fā)送報文時，它優(yōu)先選擇上次使用過的信道;如果該信道忙，就通過載波監(jiān)聽隨機選擇一個空閑信道發(fā)送數(shù)據(jù)。
多信道CSMA將可用信道分為N個不重疊的信道，一般而言N要小于無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)目。每個子信道的帶寬是整個信道帶寬的1/N。
● FAMAC協(xié)議
FAMAC是一種基于頻率分配的多信道接入?yún)f(xié)議，設置一個控制信道和多個數(shù)據(jù)信道。實現(xiàn)時，所有節(jié)點使用一個固定的頻率作為控制信道，完成RTS(Request To Send)和CTS(Clear To Send)的交互。處于空閑狀態(tài)的節(jié)點駐留在控制信道上。另外，為每個節(jié)點分配一個不同的頻率，作為該節(jié)點的數(shù)據(jù)信道值。信道選擇時，發(fā)送者向接受者發(fā)送的RTS中，攜帶自己的頻率信息。接收者收到RTS后，記錄發(fā)送者的頻率，回送CTS，將電臺切換到發(fā)送者的頻率上，接收數(shù)據(jù)。
以上兩種協(xié)議都是針對多信道設計的，較好地解決了接入控制和信道選擇問題;隱終端和暴露終端的影響也得到了很好地控制。由于WSNs的節(jié)點通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，能源無法代替，難以補充。所以能量受限的約束條件要求其MAC協(xié)議首先要關注的就是能量效率，要盡可能地節(jié)約能源，而上述兩種協(xié)議對此未作足夠的考慮。DCA-PC協(xié)議從節(jié)約能耗的觀點出發(fā)，在MAC協(xié)議設計中探索了集成功率控制和多信道接入兩種機制的可能性。
采用功率控制的多信道協(xié)議DCA-PC
DCA-PC協(xié)議首先在WSNs的MAC層設計中將功率控制的概念與多信道接入結合起來，節(jié)約能耗，減少鄰居節(jié)點共用信道時的相互干擾，提高信道復用度。
● 信道模型
帶寬被劃分為一個控制信道和n個數(shù)據(jù)信道D1，D2，……，Dn?？刂菩诺烙糜诳刂茍笪牡膫魉?，目標是為節(jié)點合理分配數(shù)據(jù)信道，避免沖突;數(shù)據(jù)信道用于數(shù)據(jù)報文和ACK(Acknowledgement)報文的傳送。
從避免沖突，提高信道預約成功率的角度出發(fā)，控制報文發(fā)送采用最大功率;為了降低能耗，提高信道復用度，將數(shù)據(jù)報文的發(fā)送功率劃分為大小不同的若干等級，通過RTS-CTS握手，可計算出雙方通信必需的最小功率，數(shù)據(jù)報文發(fā)送采用最接近最小發(fā)送功率的那個功率等級。
為實現(xiàn)動態(tài)信道分配和功率控制，每個節(jié)點都要保存3個數(shù)組。以節(jié)點A為例來說明：
Power[i]功率列表: 節(jié)點A向節(jié)點i發(fā)送數(shù)據(jù)報文時應采用的功率等級。(——可利用功率控制的原理計算得出。)
CUL(Channel Usage List)[i]信道使用狀況列表: A節(jié)點獲悉的已用信道列表。CUL[i]有4個域：
——CUL[i].host：記錄節(jié)點A的鄰居節(jié)點的主機。
——CUL[i].ch ：記錄CUL[i].host占用的數(shù)據(jù)信道。
——CUL[i].rel-time ：表示釋放CUL[i].ch數(shù)據(jù)信道的時間。
——CUL[i].int記錄CUL[i].host發(fā)送的信號是否會被節(jié)點A聽到(CUL[i].int值為1或0)。
FCL空閑信道列表: 節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時的可用信道列表，可根據(jù)CUL計算得出?！?完整的協(xié)議過程
(1) 主機A要向B傳送數(shù)據(jù)報文時，首先檢查下列兩個條件
條件一：B節(jié)點的主機應滿足條件：CUL[i].rel-time≤Tcurr+(TDIFS+TRTS+TSIFS+TCTS)。否則在RTS，CTS報文交互之后，對應的數(shù)據(jù)信道CUL[i].ch仍處于忙態(tài)。
條件二：對所有數(shù)據(jù)信道CUL[i].ch，至少有一條Dj滿足：
(CUL[i].ch=)→{CUL[i].rel-time≤Tcurr+(TDIFS+TRTS+TSIFS+TCTS)}∨{(CUL[i].int=0)∧(Power[CUL[i].host]> Power[B])}
兩條件滿足時，A將所有滿足條件二的Dj加入到自己的空閑信道列表FCL中;否則A將退避等待。
(2). A向B發(fā)送RTS(含有FCL，Ld的信息)。
(3). B收到RTS(FCL，Ld)后，檢查FCL中是否有這樣的數(shù)據(jù)信道Dj，對所有的i,均滿足
(CUL[i].ch=Dj)→{CUL[i].rel-time≤Tcurr+(TSIFS+TCTS)}∨{(CUL[i].int=0)∧(Power[CUL[i].host]> Power[A])}
若有，從所有滿足條件的信道中選擇出第一條Dj，向A回復CTS(含有Dj，NAVCTS，PCTS)。這里，
NAVCTS= Ld/Bd+TACK+2τ
PCTS= Power[A]
同時B將數(shù)據(jù)收發(fā)器調整到Dj，等待接收來自A的數(shù)據(jù)報文。
若沒有找到滿足條件的Dj，B將向A回復CTS(Test)信號，Test=min{i, CUL[i].rel-time }- Tcurr-TSIFS-TCTS (Test是正在使用的數(shù)據(jù)信道的最早釋放時間減去CTS報文交換時間)
(4).除B以外的其他主機收到A的RTS(FCL，Ld)時，要計算一個退避時間，此時間內不使用控制信道：NAVCTS= 2TSIFS+TCTS+TRES+2τ，以避免沖突。
A發(fā)送RTS后，要經(jīng)過TSIFS+TCTS+ TRES+2τ時期，等待B的CTS的到來。若未收到CTS，則退避重發(fā)。
(5) A收到B的CTS(Dj，NAVCTS，PCTS)后，執(zhí)行以下步驟：
步驟1：添加CUL[k]到CUL信道使用列表中：
CUL[k].host=B
CUL[k].ch=Dj
CUL[k].rel-time=Tcurr+ NAVCTS
CUL[k].int=1
步驟2：用最大功率在控制信道上廣播RES(Dj，NAVRES，PRES)報文，
NAVRES= NAVCTS-TSIFS-TRES
PRES= Power[B]
步驟3：用Power[B]在數(shù)據(jù)信道Dj上傳送數(shù)據(jù)報文(步驟2與步驟3同步進行)。
若A收到的是B的CTS(Test)信號，則A回到步驟1退避等待，或者重新選擇新釋放的數(shù)據(jù)信道。
(6).除A以外的其他主機收到B的CTS(Dj，NAVCTS，PCTS)時，將更新自己的CUL，與(6)的步驟1類似。但應注意：
CUL[k].rel-time=Tcurr+ NAVCTS +τ
CUL[k].int=
若收到的是B的CTS(Test)信號，則忽略該報文。
(7) 若除A以外的其他主機收到RES(Dj，NAVRES，PRES)報文，則添加CUL[k]到CUL信道使用列表中：
CUL[k].host=A
CUL[k].ch=Dj
CUL[k].rel-time=Tcurr+ NAVRES
CUL[k].int=
(8) B收到A的完整數(shù)據(jù)報文后，用Power[A]在數(shù)據(jù)信道Dj上回送ACK報文。
結語
通過以上分析，能看出DCA-PC協(xié)議具有以下特點：首先，能按需為節(jié)點分配信道 。當節(jié)點有信號需要傳送時，協(xié)議通過RTS/CTS/RES握手控制報文取得一個信道，傳送任務完成后釋放該信道。其次，在這種按需分配傳送的機制下，網(wǎng)絡信道數(shù)目的分配與網(wǎng)絡的規(guī)模，拓撲和復雜度無關。另外，不需要在全網(wǎng)范圍內提供時鐘同步。具有基于CSMA和FAMAC的多信道協(xié)議不具備的優(yōu)勢?，F(xiàn)有的其他多信道協(xié)議往往只是單獨考慮信道接入和功率控制的問題，而DCA-PC獨創(chuàng)性地將二者結合起來。研究結果表明，使用多信道和動態(tài)信道分配技術，可以顯著提高網(wǎng)絡的吞吐量。通過在數(shù)據(jù)信道上使用功率控制技術，增加了頻率的空間復用度，在提高網(wǎng)絡吞吐量的同時，也降低了網(wǎng)絡的能耗，對改善WSNs的性能具有重要意義。
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