廖 利，葉海琴

(周口師范學(xué)院，河南 周口466001)

0 引 言

在現(xiàn)代海上各種應(yīng)用領(lǐng)域，如船舶多目標(biāo)識別系統(tǒng)及海底探測等，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生，其具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣﹑節(jié)點(diǎn)密度可靈活控制等特點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多信道通信技術(shù)的結(jié)合，具有更加良好的信道吞吐容量及較高信號傳輸率特性。

在現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)及無線通信中，通信的數(shù)據(jù)層與物理層協(xié)議為MAC 協(xié)議［1-2］。在多信道中，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)射端需要2個發(fā)射器，不僅使系統(tǒng)成本上升，而且造成信號之間的干擾，同時提高接收端的復(fù)雜性。

本文在研究現(xiàn)代海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)及多信道通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用分簇網(wǎng)絡(luò)模型在頻分復(fù)用﹑時分復(fù)用通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過選擇合適的分簇網(wǎng)絡(luò)深度及網(wǎng)絡(luò)半徑來達(dá)到最優(yōu)傳輸性能，最后利用分簇原理設(shè)計(jì)優(yōu)化現(xiàn)有的多信道無線傳感網(wǎng)中的MAC算法，并進(jìn)行仿真。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)及多信道模型

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)模型

海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)［3］一般由以下4 部分組成:

1)物理感知單元:如溫度傳感器﹑圖像傳感器等，用于獲取具體物體的感知數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)處理單元:對傳感器采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3)數(shù)據(jù)傳輸單元:和多信道無線通信相結(jié)合，用于數(shù)據(jù)的傳送和接收。

4)能量單元:對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量供給。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The architecture diagram of wireless sensor network

圖1 為海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

在現(xiàn)代無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，只有少部分節(jié)點(diǎn)的通信移動，其余部分靜止，并且無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有如下特征:

1)資源有限:無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理設(shè)備通?；谇度胧叫酒_發(fā)，決定了其數(shù)據(jù)存儲、處理能力的受限。

2)自組織體系:無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間不可預(yù)知，即一個節(jié)點(diǎn)的通信鏈路可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)失效或通信中斷而發(fā)生改變，從而改變整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3)數(shù)據(jù)為中心的結(jié)構(gòu):在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，處理中心只關(guān)心數(shù)據(jù)本身的意義，并不關(guān)心數(shù)據(jù)發(fā)送端的節(jié)點(diǎn)，而在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，是以IP 地址為中心。

1.2 多信道通信在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的模型

在多信道通信技術(shù)應(yīng)用之前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都在同一信道內(nèi)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的干擾較為嚴(yán)重，同時對單一節(jié)點(diǎn)還受到外接噪聲干擾，這樣利用單一通道的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高，通信質(zhì)量較差。而利用多信道通信技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中處于同一跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，利用不同信道可以同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，不僅降低了信號之間的碼間干擾，也增加了整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信道容量。

多信道通信模型［4］如圖2所示。

圖2 多信道結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The schematic diagram of multi-channel

雖然無線傳感網(wǎng)絡(luò)利用多信道通信技術(shù)可以有效提高信道容量及通信質(zhì)量，但網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的復(fù)雜度也有所提高，與傳統(tǒng)的單通道信號傳輸相比，在多信道的資源負(fù)載均衡、多信道廣播、多信道頻譜利用等問題還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

2 基于簇的多信道MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 分簇算法前提

對于利用分簇原理進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)多通道MAC 設(shè)計(jì)基于如下前提:

1)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)為一個簇節(jié)點(diǎn);

2)其他簇中包含的傳感器節(jié)點(diǎn)的規(guī)模與離匯聚簇的距離成反比;

3)所有簇中有一個簇頭節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)與簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且只有一跳路徑。

4)按簇劃分網(wǎng)絡(luò)后，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)編號有唯一的ID 號，且匯聚節(jié)點(diǎn)是ID 號為1的節(jié)點(diǎn)。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道分配

在海上無線通信中，物理層的頻率帶寬及信道是有限資源，在分簇后，首先需要進(jìn)行信道資源的合理分配。算法的分配原則是按照簇的優(yōu)先級別，設(shè)ID 號小的簇優(yōu)先級別較高，并且信道資源只在匯聚節(jié)點(diǎn)簇以及各簇的簇頭之間分配，當(dāng)一簇的簇頭分配到信道后，則在簇內(nèi)進(jìn)行廣播通信，告知其他節(jié)點(diǎn)信道信息。

在分配初始階段，匯聚節(jié)點(diǎn)存儲3個信道分配的相關(guān)表格:相鄰簇可用信道表﹑相鄰簇不可用信道表及包含1 跳與2 跳路徑的相鄰簇鏈表。當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)簇劃分完畢后，簇中的匯聚節(jié)點(diǎn)首先對所有包含的信道進(jìn)行掃描分析，去除已被占用或干擾嚴(yán)重的信道，即可構(gòu)造相對于相鄰簇中節(jié)點(diǎn)實(shí)際可用的信道表及不可用信道表，并進(jìn)行保存。

1 跳與2 跳相鄰簇［5］矩陣如圖3所示。

根據(jù)圖3 計(jì)算相鄰簇鏈表，規(guī)則如下(i，j 分別表示行和列):

1)元素aij=1 代表簇i 與簇j 之間的傳輸距離為1 跳，同時i，j 中較小的簇具有較高的優(yōu)先級別;

2)元素aij=2 代表簇i 與簇j 之間的傳輸距離為2 跳，同時i，j 中較小的簇具有較高的優(yōu)先級別;

3)元素aii=m 代表簇i 選擇的信道。

假設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)最終劃分的簇的個數(shù)為9，如圖3所示，劃分完畢后，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇ID 號的優(yōu)先級別進(jìn)行信道分配，對于按簇劃分后的網(wǎng)絡(luò)需要保證2 跳內(nèi)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸在不同的信道內(nèi)，最后一次得到aii=m 值。

圖3 相鄰簇矩陣原理圖Fig.3 The schematic diagram of clusters of adjacent matrix

最后給出無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道分配算法的偽代碼:

2.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于簇的通信

當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)對信道進(jìn)行分配初始化完成后，每簇的簇頭節(jié)點(diǎn)隨機(jī)利用公共廣播信道把分配的信道結(jié)果傳輸至簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到后返回確認(rèn)信息并保存可用信道，然后轉(zhuǎn)到可用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。若簇頭節(jié)點(diǎn)沒有接收到其他節(jié)點(diǎn)返回的確認(rèn)信息，則不在利用廣播信道傳輸，而是利用本簇有用信道進(jìn)行二次交互。

其傳感網(wǎng)絡(luò)簇通信步驟如下:

1)握手過程:接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)申請的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)請求，對可用信道進(jìn)行檢測，如果此時可用信道閑，則分配時隙給申請節(jié)點(diǎn)。

2)數(shù)據(jù)傳輸過程:簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照分配的時隙與簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3)終止過程:簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送完成后，則進(jìn)入終止階段，等待下一次的傳輸。

4)網(wǎng)絡(luò)間通信:簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸完成后，簇頭與簇頭之間，以及簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)之間利用公用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)時隙分配如圖4所示。

圖4 簇節(jié)點(diǎn)通信時隙分配圖Fig.4 Time slot allocationmap

3 算法仿真

利用OMNET++平臺對無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道通信進(jìn)行仿真，此仿真平臺是基于OSI 面向?qū)ο竽Ｐ停梢詫? 000 多個簇節(jié)點(diǎn)通信同時進(jìn)行計(jì)算。

在本次仿真中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)劃分為115個簇節(jié)點(diǎn)，其中23個為匯聚節(jié)點(diǎn)，同時簇節(jié)點(diǎn)中含有的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)與離匯聚節(jié)點(diǎn)距離成反比，簇中節(jié)點(diǎn)最少為1，最多為20。

在開始階段，簇中任意傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)概率生成一個數(shù)據(jù)量介于0～2 000B的信號，以一定的時隙向簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送請求，如果概率及數(shù)據(jù)量越大，則簇中信道負(fù)載越重。表1 為仿真參數(shù)表。

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting

無線傳感多信道通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量如圖5所示。

圖5 多信道通信吞吐量圖Fig.5 The graph of throughput onmulti-channel communication

4 結(jié) 語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在海上運(yùn)輸及開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如海底探測﹑多目標(biāo)檢測跟蹤等，現(xiàn)有的海上無線傳感系統(tǒng)多是基于單一信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量小，并且信號之間容易干擾。

本文在研究現(xiàn)代海上無線傳感網(wǎng)絡(luò)及多信道通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析分簇網(wǎng)絡(luò)模型在頻分復(fù)用﹑時分復(fù)用通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過選擇合適的分簇網(wǎng)絡(luò)深度及網(wǎng)絡(luò)半徑來達(dá)到最優(yōu)傳輸性能，最后利用分簇原理設(shè)計(jì)優(yōu)化了現(xiàn)有的多信道無線傳感網(wǎng)中的MAC算法，并進(jìn)行仿真。

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