多信道的信道接入?yún)f(xié)議 DCA-PC

信道接入?yún)f(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性的作用，是WSNs技術(shù)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(luò)性能明顯變差。采用多信道機制,可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小傳播延時，降低沖突的概率，更易于支持網(wǎng)絡(luò)的QoS(Quality of Service)保障。多信道協(xié)議主要應(yīng)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(yīng)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(shè)計目標(biāo)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(zhǔn)信道預(yù)留技術(shù)，通過分布式的載波監(jiān)聽來對多個信道進行分配。

　　準(zhǔn)信道預(yù)留技術(shù)的原理是：當(dāng)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(luò)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(shè)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(shè)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(yuǎn)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(guān)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(shè)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(shè)計中將功率控制的概念與多信道接入結(jié)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(fù)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。控制信道用于控制報文的傳送，目標(biāo)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(yù)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(fù)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(yīng)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。[!--empirenews.page--]● 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(yīng)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(yīng)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(fù)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(diào)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(fù)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(nèi)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(yīng)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(jié)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(dāng)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(wù)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(luò)信道數(shù)目的分配與網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，拓?fù)浜蛷?fù)雜度無關(guān)。另外，不需要在全網(wǎng)范圍內(nèi)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(jié)合起來。研究結(jié)果表明，使用多信道和動態(tài)信道分配技術(shù)，可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。通過在數(shù)據(jù)信道上使用功率控制技術(shù)，增加了頻率的空間復(fù)用度，在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時，也降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗，對改善WSNs的性能具有重要意義。