張 軒 劉 野 劉 昊 李智群

(1 東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京210096)

(2 東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所，南京210096)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種利用傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)環(huán)境并向匯聚節(jié)點(diǎn)報(bào)告感知信息的多跳自組織網(wǎng)絡(luò).它提供了一種新型智能信息獲取模式，在入侵檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并逐漸步入大規(guī)模部署階段［1-3］.

在這些應(yīng)用場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致碰撞，造成傳輸延時(shí)增大、數(shù)據(jù)包丟失及錯(cuò)誤命令等問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)受到嚴(yán)重影響.此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要工作在2.4 GHz ISM 頻段，會(huì)和WiFi 等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共用這一頻段，無(wú)線信道所具備的開(kāi)放共享特征決定了這些網(wǎng)絡(luò)之間存在互相干擾.文獻(xiàn)［4-6］的研究均表明WiFi 嚴(yán)重影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量.

為了保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，早期無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議研究主要針對(duì)單信道MAC 協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化.文獻(xiàn)［7］利用接收方主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制代替?zhèn)鹘y(tǒng)MAC 協(xié)議的長(zhǎng)前導(dǎo)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸預(yù)約.這種方法提升了信道利用率，從而能夠適應(yīng)突發(fā)高流量負(fù)載.文獻(xiàn)［8］利用單跳協(xié)作反饋、預(yù)約數(shù)據(jù)交互等機(jī)制大幅度減少傳輸碰撞，降低了節(jié)點(diǎn)能耗和數(shù)據(jù)延時(shí).文獻(xiàn)［9］通過(guò)實(shí)測(cè)評(píng)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(chǔ)上提出了多次握手、批量傳輸、擁塞退避等機(jī)制.

目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)芯片普遍提供多信道支持.通過(guò)創(chuàng)新的多信道MAC 協(xié)議機(jī)制提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量已成為研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)［10］針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出一個(gè)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(diǎn)，從而降低內(nèi)部節(jié)點(diǎn)干擾.但是這種靜態(tài)多信道MAC 協(xié)議對(duì)WiFi 的干擾及惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊抵抗能力不強(qiáng)［11］.文獻(xiàn)［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(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)首先跳轉(zhuǎn)到一個(gè)控制信道協(xié)商傳輸信道，以便節(jié)點(diǎn)間無(wú)干擾通信，但控制信道的帶寬限制成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸.文獻(xiàn)［13］提出一種主動(dòng)跳頻多信道MAC 協(xié)議，每個(gè)周期隨機(jī)選擇接收信道，從而解決控制信道瓶頸和干擾問(wèn)題.但隨機(jī)跳頻一方面無(wú)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(diǎn)傳輸沖突.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種動(dòng)態(tài)多信道MAC(dynamic multichannel MAC，DM-MAC)協(xié)議.該方案通過(guò)協(xié)作跳頻方式，一方面避免了突發(fā)流量負(fù)載時(shí)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包同時(shí)傳輸造成的碰撞，另一方面當(dāng)存在外部網(wǎng)絡(luò)干擾時(shí)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(shí)，保證了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量.

1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文考慮N 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在感知區(qū)域，通過(guò)多跳傳輸將信息報(bào)告給匯聚節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)可在多個(gè)信道間切換，但同一時(shí)刻只能在單一信道進(jìn)行發(fā)送或接收.鏈路質(zhì)量在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定.網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)保持同步且工作在占空比模式，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)只開(kāi)啟一個(gè)定時(shí)器用來(lái)喚醒自己，因此節(jié)點(diǎn)只有在活躍狀態(tài)下才能發(fā)送或接收數(shù)據(jù).當(dāng)產(chǎn)生感知數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將信道切換到目的節(jié)點(diǎn)信道，并在活躍期進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

2 DM-MAC 協(xié)議

DM-MAC 協(xié)議包括3 個(gè)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(diǎn)通過(guò)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(jìn)行周期信道轉(zhuǎn)換.最后，當(dāng)可用信道集發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)的跳頻序列需要作出相應(yīng)調(diào)整.

2.1 初始信道分配

系統(tǒng)配置初期，所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都在默認(rèn)信道完成初始化工作.初始信道任務(wù)分配通過(guò)分布式算法實(shí)現(xiàn).當(dāng)未分配到初始信道時(shí)，節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)信道并廣播分配請(qǐng)求幀(assignment request frame，ARF).鄰居節(jié)點(diǎn)接收到ARF 后隨機(jī)退避并回復(fù)確認(rèn)幀(acknowledgement，ACK).通過(guò)上述2次握手，節(jié)點(diǎn)就可以建立自己的鄰居鏈表，然后按照鄰居節(jié)點(diǎn)地址大小，依次將可用信道分配給鄰居節(jié)點(diǎn)作為其起始跳頻信道.當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大于可用信道數(shù)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以分配到不同的信道，進(jìn)而避免信道競(jìng)爭(zhēng).當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量超出可用信道數(shù)時(shí)，根據(jù)最小重復(fù)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(diǎn).最后，節(jié)點(diǎn)廣播分配完成幀(assignment finish frame，AFF)，實(shí)現(xiàn)第3 次握手.鄰居節(jié)點(diǎn)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(shí)，節(jié)點(diǎn)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(qǐng)求節(jié)點(diǎn).請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)不再對(duì)此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新分配.

圖1給出了DM-MAC 協(xié)議初始信道分配的一個(gè)示例.首先，節(jié)點(diǎn)S 廣播ARF 發(fā)出信道分配請(qǐng)求.節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)B 接收到ARF 后，發(fā)出ACK 進(jìn)行確認(rèn).然后，節(jié)點(diǎn)S 根據(jù)最小重復(fù)原則為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配起始信道.當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)最多可以提供16 個(gè)獨(dú)立信道，因此本文使用2 個(gè)字節(jié)(16 比特位)表示分配情況.節(jié)點(diǎn)S 將第1 個(gè)可用信道作為自己的起始信道，第1 個(gè)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(shè)定節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)B 的起始信道分別為第2和第3 個(gè)可用信道，因此相應(yīng)比特位置1.最后，將所有分配結(jié)果載入到AFF 中，并進(jìn)行廣播完成第3次握手.當(dāng)節(jié)點(diǎn)A 競(jìng)爭(zhēng)到信道并發(fā)送ARF 后，節(jié)點(diǎn)S 和節(jié)點(diǎn)B 的ACK 中包含自己的起始信道號(hào).節(jié)點(diǎn)C 和節(jié)點(diǎn)D 的ACK 中相應(yīng)位置0，表示自己沒(méi)有分配到起始信道.由于前3 個(gè)信道已經(jīng)被分配，節(jié)點(diǎn)A 將第4 和第5 個(gè)可用信道分別分配給節(jié)點(diǎn)C 和節(jié)點(diǎn)D.

2.2 周期信道轉(zhuǎn)換

網(wǎng)絡(luò)初始化配置完畢后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作模式.每個(gè)工作周期節(jié)點(diǎn)在不同信道喚醒偵聽(tīng)，從而降低內(nèi)部信道競(jìng)爭(zhēng)和外部網(wǎng)絡(luò)干擾與攻擊帶來(lái)的影響.然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度增大或可用信道數(shù)較少時(shí)，鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)偽隨機(jī)序列跳轉(zhuǎn)到相同信道的概率大大增加.文獻(xiàn)［13］提出一種TDMA 優(yōu)化機(jī)制，將一個(gè)周期分成多個(gè)子時(shí)隙，通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方法減少隨機(jī)跳頻干擾.但多個(gè)子時(shí)隙浪費(fèi)帶寬，因此如何高效分配信道和子時(shí)隙成為一個(gè)難題［14］.本文從頻域角度分析，構(gòu)造拉丁矩陣跳頻序列來(lái)解決隨機(jī)跳頻干擾問(wèn)題.

設(shè)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(fù)，那么稱A 為m ×n 階拉丁矩陣.下面是一個(gè)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(fù).如果將矩陣的每一行作為一個(gè)跳頻序列分配給不同節(jié)點(diǎn)，每一列看作一個(gè)工作周期，那么內(nèi)部節(jié)點(diǎn)信道干擾將得到改善.

如果在干擾范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多或可用信道數(shù)少，就會(huì)出現(xiàn)2 個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有相同跳頻序列現(xiàn)象，當(dāng)它們同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)信道競(jìng)爭(zhēng)，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(jī)退避方法在突發(fā)高流量負(fù)載情況下，會(huì)使發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(lái)解決上述問(wèn)題，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道失敗或未收到數(shù)據(jù)確認(rèn)幀后，就轉(zhuǎn)入到睡眠狀態(tài)，下一個(gè)工作周期再進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳.

2.3 外部干擾避免與信道集更新處理

當(dāng)前WiFi 產(chǎn)品的主要通信標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.11 b/g，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要通信標(biāo)準(zhǔn)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(gè)IEEE 802.11 信道可影響到4 個(gè)IEEE 802.15.4 信道.如果按照順序進(jìn)行跳頻，節(jié)點(diǎn)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處在干擾頻段內(nèi).隨機(jī)跳頻同樣不能保證下個(gè)周期將傳輸信道轉(zhuǎn)換到干擾頻段之外，當(dāng)可用信道數(shù)變小或WiFi 干擾源增多時(shí)，情況會(huì)愈加嚴(yán)重.

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與WiFi 網(wǎng)絡(luò)信道分布

為了減緩?fù)獠烤W(wǎng)絡(luò)干擾對(duì)服務(wù)質(zhì)量的影響，下面對(duì)拉丁跳頻矩陣進(jìn)行改進(jìn).

當(dāng)可用信道數(shù)N≤4 時(shí)，

當(dāng)可用信道數(shù)N ＞4 時(shí)，

式中，Xn為當(dāng)前工作周期節(jié)點(diǎn)所處的信道號(hào);Xn+1為下一個(gè)工作周期節(jié)點(diǎn)應(yīng)該跳轉(zhuǎn)到的信道號(hào).初始值X0是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化時(shí)所分配到的信道.圖3給出了根據(jù)式(2)和(3)計(jì)算得到的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖.例如，當(dāng)可用信道為9 個(gè)時(shí)，起始信道為1 的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)當(dāng)前信道為9 時(shí)，下一周期將會(huì)跳轉(zhuǎn)到2 號(hào)信道，而非13 號(hào)信道.圖3中的數(shù)字并不代表IEEE 802.15.4 的相應(yīng)信道號(hào)，而是可使用信道集合中的信道序列號(hào).例如，8 號(hào)狀態(tài)可能是18號(hào)信道、20 號(hào)信道，也有可能是26 號(hào)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將DM-MAC 協(xié)議和MuCHMAC 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2 中實(shí)現(xiàn).通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)它們能提供的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析.在節(jié)點(diǎn)的配置中，傳輸層協(xié)議為UDP，并采用DSR 路由協(xié)議，設(shè)置天線為Omni-Antenna 類型，無(wú)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(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(shè)置

為了分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾情況，在感知區(qū)域內(nèi)設(shè)置4 組節(jié)點(diǎn)(4 個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和4 個(gè)接收節(jié)點(diǎn))，每對(duì)節(jié)點(diǎn)間隔100 m.因此，所有節(jié)點(diǎn)都在其他節(jié)點(diǎn)的載波偵聽(tīng)半徑內(nèi).通過(guò)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(diǎn)同時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)，并在活躍狀態(tài)時(shí)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送數(shù)據(jù).單跳性能分析完成后，在第2 個(gè)場(chǎng)景中設(shè)置20 個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成4 ×5 網(wǎng)格拓?fù)?不同數(shù)據(jù)流間隔100 m，每跳節(jié)點(diǎn)間隔200 m.每次觸發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，4 條數(shù)據(jù)流同時(shí)進(jìn)行傳輸.通過(guò)改變傳輸跳數(shù)來(lái)分析多跳情況下內(nèi)部干擾性能.

最后設(shè)置2 個(gè)場(chǎng)景來(lái)評(píng)估當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受到外部干擾時(shí)的性能.第1 個(gè)場(chǎng)景模擬在同一區(qū)域內(nèi)分別有一對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和一對(duì)WiFi 干擾源，WiFi 干擾源在一個(gè)信道上持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.通過(guò)改變可用信道數(shù)目來(lái)分析信道數(shù)量變化對(duì)DM-MAC 協(xié)議和MuCHMAC 協(xié)議的影響.第2 個(gè)場(chǎng)景用于分析WiFi 干擾源數(shù)量的變化對(duì)2 個(gè)協(xié)議的影響，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可用信道數(shù)目固定，增加WiFi 干擾數(shù)量，且使每個(gè)干擾源信道沒(méi)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(shí)結(jié)果.其中，圖4(a)給出了單跳傳輸延時(shí)變化曲線，圖4(b)給出了多跳傳輸延時(shí)變化曲線.在單跳傳輸時(shí)，MuCHMAC 數(shù)據(jù)延時(shí)隨可用信道數(shù)量的增加而減少.這是因?yàn)槎鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)隨數(shù)據(jù)流數(shù)增加而上升，這是發(fā)送節(jié)點(diǎn)增多，信道競(jìng)爭(zhēng)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?yàn)楦鶕?jù)拉丁矩陣跳頻，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一周期都可以選擇不同的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信道競(jìng)爭(zhēng).由于MuCHMAC 的單跳平均數(shù)據(jù)延時(shí)高于DM-MAC，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行多跳傳輸時(shí)，MuCHMAC的數(shù)據(jù)多跳延時(shí)明顯高于DM-MAC.

圖4 網(wǎng)絡(luò)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(shí)累積分布函數(shù).其中，圖5(a)給出了受到一個(gè)WiFi 干擾源影響時(shí)，可用信道數(shù)量變化對(duì)DM-MAC 和MuCHMAC 的數(shù)據(jù)延時(shí)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(duì)2 個(gè)協(xié)議的數(shù)據(jù)延時(shí)累積分布函數(shù)的影響.存在一個(gè)WiFi 干擾源影響情況下，當(dāng)可用信道為16 個(gè)時(shí)，DM-MAC 的延時(shí)上限為2 s，而MuCHMAC 的延時(shí)上限為3.81 s，其中有大約10%的數(shù)據(jù)延時(shí)超過(guò)2 s.然而，當(dāng)可用信道數(shù)減少到8 個(gè)時(shí)，MuCHMAC 的延時(shí)上限高達(dá)9.01 s，約22%的數(shù)據(jù)延時(shí)超過(guò)DM-MAC 的延時(shí)上限(3 s).當(dāng)信道非重疊WiFi 干擾源增加到3 個(gè)時(shí)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可利用的無(wú)干擾信道只有4 個(gè).這時(shí)DM-MAC 最多在第5 個(gè)工作周期(其中有一個(gè)廣播周期不發(fā)送單播包)就可以輪詢無(wú)干擾信道，而MuCHMAC 的隨機(jī)跳頻機(jī)制要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間才能跳轉(zhuǎn)到無(wú)干擾信道.因此，這時(shí)MuCHMAC 的性能急劇惡化.

圖5 外部網(wǎng)絡(luò)干擾性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種動(dòng)態(tài)多信道MAC 協(xié)議DMMAC.該協(xié)議通過(guò)3 次握手機(jī)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(shí)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的內(nèi)部干擾，實(shí)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(diǎn)跳頻信道偏移量，在可用信道數(shù)量發(fā)生變化時(shí)重構(gòu)跳頻序列，增強(qiáng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)WiFi 網(wǎng)絡(luò)干擾的適應(yīng)能力.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)DM-MAC 協(xié)議進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)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(shí)性能得到明顯提升;當(dāng)存在WiFi 網(wǎng)絡(luò)干擾時(shí)，DM-MAC 明顯減少了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)上限，從而獲得了更優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量.

References)

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