SimpliciTI網絡的PSCP—FA機制研究

【摘要】本文開展了對SimpliciTI網絡FA頻率跳變機制的研究，并且針對其信道切換時存在的信道選取盲目性問題，引入周期性同步機制和信道預測機制，改進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測的PSCP-FA網絡接入機制。

【關鍵詞】網絡接入；信道預測；PSCP-FA

1.引言

隨著無線通信技術的快速發展，無線傳感器網絡技術在社會各個方面的應用越來越廣泛，這對傳感器網絡系統的低功耗、低成本和短開發周期等方面，提出了更高的要求，而網絡接入機制一直是傳感器網絡中研究的重點。

2.網絡接入存在的問題

網絡的接入根據具體情況的不同，在對網絡的實際設計的過程中可能出現很多問題，一般可以將問題總結為以下幾個方面：（1）能量受限：由于無線傳感器網絡能量受限，相對于其它無線網絡而言，能量也是在設計網絡時要首先考慮的因素。一般將造成這種能量的消耗的原因分成四種類型：1）數據碰撞（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：無線網絡的通信頻段，在考慮無線電波傳輸技術的因素的同時，還應該考慮政府對于頻段使用的相關政策法規。根據國際標準和我國頻譜使用實際情況，無線傳感器網絡一般使用2.4～2.4835GHz通信頻段。因此在頻率資源有限的情況下，為每個想要與其它終端節點通信的終端都獨立地分配一個信道是不現實的，因此應盡量采用信道共享技術。（3）網絡可展性：由于無線傳感器網絡節點數目，節點分布情況會在網絡的生存過程中不斷的變化，節點位置也可能移動，還有新節點加入網絡的問題，所以無線傳感器網絡的拓樸結構具有動態特性，網絡接入也應當具有可擴展性，以適應這種動態變化的拓樸結構。（4）網絡效率：網絡效率主要包括網絡公平性、實時性、網絡吞吐量以及帶寬利用率等。對于無線傳感器網絡而言，應該盡可能的保證網絡的公平性，以實現整個網絡生存周期最大化。

3.網絡接入方式

3.1 TDMA接入方式

TDMA時分復用接入方式是實現信道分配的簡單成熟的機制，在無線傳感器網絡中采用TDMA機制，就是為每個節點分配獨立的用于數據發送或接收的時槽，而節點在其他空閑時槽內轉入睡眠狀態。TDMA機制的一些特點非常適合傳感器網絡節省能量的需求：TDMA機制沒有競爭機制的碰撞重傳問題；數據傳輸時不需要過多的控制信息；節點在空閑時槽能夠及時進入睡眠狀態。

TDMA接入方式如圖1所示，整個時間幀被分為多個時隙，在不同的時隙內完成相應節點的通信和數據傳送交換，在每個時隙內，將幀分為兩部分，一部分為控制幀，主要完成網絡的控制信息交換；另一部分為數據幀，主要完成節點的數據傳送功能。TDMA接入方式需要節點之間比較嚴格的時間同步。時間同步是傳感器網絡的基本要求：多數傳感器網絡都使用了偵聽/睡眠的能量喚醒機制，利用時間同步來實現節點狀態的自動轉化；節點之間為了完成任務需要協同工作，30這同樣不可避免地需要時間同步。TDMA機制在網絡擴展性方面存在不足：很難調整時間幀的長度和時槽的分配；對于傳感器網絡的節點移動、節點失效等動態拓撲結構適應性較差；對于節點發送數據量的變化也不敏感。

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。它的基本思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式決定節點優先使用無線信道，如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。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議，它可以作為基于競爭的隨機訪問信道接入方式的代表。

在CSMA/CA工作方式下，載波偵聽機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。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，節點A希望向節點B發送數據，節點C在A的無線通信范圍內，節點D在節點B的無線通信范圍內，但不在節點A的無線通信范圍內。節點A首先向節點B發送一個請求幀Crequest-to-send，RTS），節點B返回一個清除幀（clear-to-send，CTS）進行應答。在這兩個幀中都有一個字段表示這次數據交換需要的時間長度，稱為網絡分配矢量（Network allocation vector，NAV），其他幀的MAC頭也會捎帶這一信息。節點C和D在偵聽到這個信息后，就不再發送任何數據，直到這次數據交換完成為止。NAV可看作一個計數器，以均勻速率遞減計數到零。當計數器為零時，虛擬載波偵聽指示信道為空閑狀態；否則，指示信道為忙狀態。

4.SimpliciTI網絡FA機制

SimpliciTI網絡協議中引入了一種新型的FA（Frequency Agility）機制，FA機制的引入能夠有效解決網絡信道受到外界噪聲干撓的情況下，進行相應的信道切換，其原理如圖3所示。首先設定若干信道，假定將其分為n個信道，從Chanel 0到Chanel n，把時間軸分割為若干時隙，從t0到tn。在組網過程中，當t0時刻節點啟動，初始化成功將進入默認信道Chanel 0，又有節點啟動加入網絡，系統初始化進入信道Chanel 0，假設在t1時刻，該信道被占用或出現大功率通信設備對網絡通信產生干撓，發送端節點在發送數據包后，在一定時間內沒有收到接收端節點的應答回復，則發送端節點判定該信道故障，為了保證網絡正常通信，須采用頻率跳變FA方式，切換信道到可用的有效信道。在網絡中數據中心節點負責對整個網絡的調度，當切換信道后，數據中心節點向網絡中其它節點發送一個廣播幀，通知其它節點切換到相應的通信信道。如果網絡中出現休眠的節點設備，假設t1時刻信道受到干撓，休眠的節點設備因無法接收到來自數據中心節點的廣播幀，則無法跳變到相應頻道，tn時刻休眠狀態結束，此時，休眠的節點已與網絡通信中斷，向網絡發送請求不能到來自數據中心的應答回復，則說明通信信道已經發生改變，此時采取輪詢的方式對信道進行搜索，如果在發送請求信息后能接收到來自數據中心的應答回復，則說明該信道通信有效可用，通信成功。

SimpliciTI網絡FA頻率跳變機制，使得整個網絡相比于傳統的組網方式上有了很大的改進，網絡通信可靠性增強，提高了網絡的抗干撓能力，并且提高了頻譜利用率。

5.PSCP-FA網絡接入機制

5.1 FA機制存在的問題

SimpliciTI網絡采用FA機制，雖然相比于其它接入方式有效地解決了外界對網絡通信的干擾問題，但是FA機制卻存在一些問題：

①對于休眠的節點設備，信道改變后，重新加入網絡過程中采用輪詢的方式進行嘗試加入網絡，加大了網絡的組網開銷，如果信道個數比較多的情況下，采用此種方式使得網絡的組網時間增大，同時還加重了整個網絡通信負載；

②對于中心節點AP，在網絡受到干擾的情況下，網絡進行FA時具有一定的盲目性，這對整個網絡而言，是一種很被動的方式；基于上面的問題，我們結合TDMA和CSMA接入方式的基礎上，引入了周期性同步機制和信道預測機制，提出了一種基于周期性同步和信道預測的PSCP-FA網絡接入機制。

5.2 PSCP-FA

PSCP-FA網絡接入模型

在PSCP-FA接入方式中，主要分為兩個階段，一部分網絡節點周期性同步階段，另一部分為隨機訪問階段。在改進型的FA模型中，引入了三個概念，分別為FA周期性同步幀，MRSSI信道預測算法和信道列表的概念。PSCP-FA網絡接入方式如圖4所示，在傳統的CSMA方式的基礎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部分，分別完成三個功能，整個網絡中節點設備與網絡的同步；對各個子信道的通信質量測試，并更新維護信道列表對整個網絡的信道進行有效的預測；在信道受到干擾的情況下，根據信道列表進行相應的頻率跳變，實現信道的切換。在隨機訪問階段，采用CSMA/CA的方式，網絡中各節點設備仍采用隨機競爭的方式實現網絡接入。

5.3 PSCP-FA通信機制

根據上面所提到的信道周期性同步機制和MRSSI信道預測算法，PSCP-FA網絡通信機制如圖5所示。

其工作流程詳述如下：

①網絡建立成功，進行第一次FA周期同步，網絡中設備偵聽到周期性同步信息幀；

②網絡中節點設備進入同步階段，對網絡中設備進行周期性校正，實現整個網絡中節點設備的同步；

③進入MRSSI階段。ED節點設備向AP節點設備發送RTS；

④執行RSSI測量，并對測量數據進行處理；

⑤返回ACK包，ACK包中包含測量數據；

⑥執行信道切換，進行一下次RSSI信道測試，重復執行（3）-（5）的步驟，直到整個網絡中定義的信道測量完畢；

⑦更新網絡中所有節點設備的信道列表CL的數據結構表，進入FA階段，判斷網絡是否進行FA；

⑧根據數據列表CL的數據結構表average項的值，執行FA，改變通信頻率，

切換到相應的信道；

⑨周期同步結束，進入隨機訪問階段，網絡中所有設備采用CSMA方式；

⑩等待下一FA周期同步幀的到來。

6.小結

本文重點研究SimpliciTI網絡PSCP-FA機制。首先對網絡接入方式存在的問題進行分析，SimpliciTI網絡協議的FA機制能夠有效保證在整個網絡受到外部干撓的情況下，網絡中設備通信的可靠性。但存在信道切換時信道選取盲目性的問題，為了解決這個問題，引入周期性同步機制和信道預測機機制，改進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測的PSCP-FA（periodicsynchronization and channel pediction FA）網絡接入機制。

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作者簡介：楊娜（1984—），女，商丘工學院機械工程學院教師。