中國人民解放軍91469部隊(duì) 盧 山

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道通信技術(shù)分析

中國人民解放軍91469部隊(duì) 盧 山

本文從多個(gè)角度出發(fā)，分析、探討無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道通信技術(shù)的應(yīng)用。主要包括的內(nèi)容有MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)，多信道廣播與頻域感知，以及時(shí)間同步協(xié)議安全等。同時(shí)，在分析的基礎(chǔ)上，提出了具體解決的辦法。希望可以作為研究多信道通信應(yīng)用于無線傳感器中的資料，推動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展。

無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；多信道通信技術(shù)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，多信道通信技術(shù)逐漸被應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)通信當(dāng)中，該技術(shù)不但解決了由于信道干擾造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓問題，而且提高了網(wǎng)絡(luò)通信的吞吐量，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。但與此同時(shí)，也引發(fā)了新的問題。比如單信道廣播問題，以及網(wǎng)絡(luò)安全問題等。介于此，本文對(duì)多信道頻譜感知、時(shí)間同步安全問題，多信道廣播，以及多信道MAC協(xié)議進(jìn)行了相關(guān)的分析與研究。

1 多信道MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的問題

首先，節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)比較激烈。McMAC協(xié)議，SSCH協(xié)議均為多信道通信，節(jié)點(diǎn)能夠在多個(gè)信道中分布，相對(duì)于單信道協(xié)議來講，節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力比較小。但是，無線傳感器中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，而且無線信道資源很不充足。使用McMAC以及SSCH協(xié)議，如果大量的節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)信道上，就會(huì)加大信道節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。尤其是在節(jié)點(diǎn)密集程度嚴(yán)重時(shí)，任何一個(gè)信道中的競(jìng)爭(zhēng)都非常劇烈。雖然使用TSMP協(xié)議可以減少一個(gè)信道上的競(jìng)爭(zhēng)，但是該協(xié)議使用靜態(tài)的分配方式，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性不強(qiáng)。其次，節(jié)點(diǎn)消失的問題。在McMAC協(xié)議中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息后，就會(huì)自動(dòng)脫離自己所屬的信道，切換到其他的目標(biāo)信道中，完成信息的發(fā)送。同時(shí)，通過其他信道不會(huì)發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)消失。另外，在SSCH協(xié)議中，由于信道序列的改變，也面臨同樣的問題。最后，節(jié)點(diǎn)通信存在不公平的問題。McMAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)不是同步的，各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間片的分布也呈現(xiàn)出不規(guī)律的特點(diǎn)，從而起到減少競(jìng)爭(zhēng)的作用。然而，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)信道上發(fā)生周期重疊后，就會(huì)形成競(jìng)爭(zhēng)，而且周期早的節(jié)點(diǎn)通常會(huì)競(jìng)爭(zhēng)成功，從而導(dǎo)致不公平的競(jìng)爭(zhēng)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道頻譜感知

2.1 多信道頻譜感知的研究意義

在無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了保證系統(tǒng)的有效運(yùn)行，應(yīng)該提高周圍信道信息的真實(shí)性、可靠性，以及準(zhǔn)確性。為了達(dá)到以上目的，對(duì)頻譜感知技術(shù)的可靠性要求非常高。雖然頻譜感知技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟，在檢測(cè)的過程中，能夠識(shí)別出信道的狀態(tài)。但是由于該技術(shù)的特點(diǎn)比較復(fù)雜，再加上無線傳感器在節(jié)點(diǎn)計(jì)算、空間儲(chǔ)存，以及信道檢測(cè)方面的能力不足，所以將認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中很不合理。針對(duì)以上問題，本文提出DCN協(xié)作式的頻譜感知算法，將該技術(shù)可以應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

2.2 DCN的協(xié)作頻譜感知算法

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道中，都存在相應(yīng)的檢測(cè)狀態(tài)，在一定的周期內(nèi)，可以獲得N個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)受到檢測(cè)信息后，將這些信息再傳送到信息融合節(jié)點(diǎn)，完成信息的融合。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為K，檢測(cè)數(shù)據(jù)矩陣為H，根據(jù)相關(guān)的公式，可以得到檢測(cè)數(shù)據(jù)矩陣為Wishart矩陣W。當(dāng)該矩陣為K個(gè)特征值時(shí)，則。跟據(jù)以上特征，對(duì)協(xié)作頻譜檢測(cè)器Dt進(jìn)行構(gòu)建，可以得出：

然后，根據(jù)DCN分布的函數(shù)，來計(jì)算Dt的閾值。計(jì)算的公式為：，通過具體的閾值來對(duì)主用戶的存在與否進(jìn)行判斷。當(dāng)時(shí)，那么可以得知此時(shí)用戶不存在，反之，用戶存在。由此可以看出，在協(xié)作頻譜感知中，Dt的閾值對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性起著決定性的作用。因此，必須確定出DCN的PDF表達(dá)式。當(dāng)時(shí)，表達(dá)式為：

根據(jù)（3）式中DCN的PDF表達(dá)式，可以得出DCN的另一種CDF表達(dá)式，具體為：

從以上的表達(dá)式可以看出，要使DCN的PDF表達(dá)式更加準(zhǔn)確，其中其關(guān)鍵性作用的因素是。本文利用最小特征函數(shù)來計(jì)算系數(shù)，得出CDF分布的函數(shù)為（3-23），同時(shí)通過微分計(jì)算，可以得到PDF函數(shù)，即：

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道廣播問題

多信道MAC協(xié)議應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有強(qiáng)大的吞吐量以及通信抗干擾性，同時(shí)可以減少在通信中消耗的能量，引起了人們的廣泛關(guān)注。但是在廣播支持上面，沒有足夠的考慮。

3.1 廣播通信存在的具體問題

廣播通信也是一種通信形式，被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。比如：查詢路由、數(shù)據(jù)，同步時(shí)間等。當(dāng)無線通信為單通道時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)通道，可以利用無線電波的廣播特性，實(shí)現(xiàn)廣播信息的傳送與接收。但是在多信道的通信中，由于節(jié)點(diǎn)蘇醒的時(shí)間不同，基于節(jié)省能量，導(dǎo)致很多節(jié)點(diǎn)處于睡眠的狀態(tài)，在這種情況下，就沒有辦法接收到信號(hào)，導(dǎo)致廣播通信遇到阻力與障礙。其中，最突出的三個(gè)關(guān)鍵問題為：第一，減小通信能量的消耗，利用節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)接的辦法，提高廣播通信的覆蓋率。第二，解決由于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播面臨的廣播冗余問題。第三，控制節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播的次數(shù)，防止廣播通信延遲，造成網(wǎng)絡(luò)故障。

3.2 分布式樹形廣播協(xié)議

針對(duì)以上問題，通過對(duì)多信道廣播研究，提出分布式樹形廣播協(xié)議來解決。該協(xié)議以發(fā)送廣播訓(xùn)練包為主，在發(fā)送過程中，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、多跳，建立一個(gè)廣播樹。完成之后，通過這個(gè)廣播樹，可以將節(jié)點(diǎn)廣播包發(fā)送出去，提高廣播通信的覆蓋率，以及有效率，同時(shí)也解決了通信的延遲問題。該協(xié)議簡(jiǎn)稱DTB。其中，DTB在使用過程中，存在的優(yōu)點(diǎn)主要為：第一，該協(xié)議在多跳的環(huán)境下，采用動(dòng)態(tài)的分配方式，提高了廣播通信的覆蓋率，減少了通信能量的消耗，最終提高了信息的傳送、接收效果。第二，基于該方法下的廣播樹訓(xùn)練包，采用分布式的方法，比之前的集中式算法更簡(jiǎn)單，而且對(duì)節(jié)點(diǎn)的要求不高，具有很強(qiáng)的拓展性，應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，效果更佳。再次，該協(xié)議只要沿著廣播樹的路徑傳輸即可，不要求控制信息，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)在控制中的開銷。最后，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，DTB方法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，主要表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)部分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者失效，但是不影響整個(gè)廣播樹的通信功能。

4 結(jié)束語

本文主要對(duì)多信道通信技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。具體對(duì)多信道MAC協(xié)議、多信道頻譜感知，以及多信道廣播問題進(jìn)行探討。在分析研究的過程中，提出各個(gè)技術(shù)運(yùn)用的原理，以及存在的問題，然后提出具體的解決辦法。比如：RTMAC協(xié)議的應(yīng)用，DCN的協(xié)作頻譜感知算法，分布式樹形廣播協(xié)議等，希望可以對(duì)未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

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