??? 摘? 要： 結(jié)合GPS技術(shù)提供的定位特點(diǎn)，采用跨層設(shè)計(jì)思想，提出了一種單信道多跳WSN 網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制協(xié)議。在協(xié)議的控制幀中攜帶路由信息和狀態(tài)信息，根據(jù)這些信息，判斷存在的暴露終端和隱藏終端，同時(shí)利用上游節(jié)點(diǎn)的ACK應(yīng)答作為與下游節(jié)點(diǎn)的RTS握手，建立CTS/DATA/ACK的三次交互機(jī)制。仿真表明，與已有的IEEE802.11和MACA-BI等同類協(xié)議相比，該協(xié)議可有效解決隱藏終端和暴露終端問題，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和端到端的延時(shí)，并降低網(wǎng)絡(luò)的握手開銷和控制幀的沖突概率。?

??? 關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 隱藏終端； 暴露終端； 全球定位系統(tǒng)

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??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)改變了人與自然的交互方式，是21世紀(jì)最具影響的IT技術(shù)之一，在軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭和其他的商用領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。由于WSN網(wǎng)絡(luò)的特殊性，基于固定或有中心控制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能滿足其要求?；诠蚕韽V播信道的傳統(tǒng)接入技術(shù)ALOHA、CSMA等只能在一跳共享的情況下使用，而WSN網(wǎng)絡(luò)是多跳共享的，存在隱藏終端和暴露終端問題，所以不能直接使用，因此出現(xiàn)了很多改進(jìn)的協(xié)議,如MACA、MACAW、MACA-BI等，最終形成了802.11的DCF機(jī)制。它們通過握手機(jī)制來避免沖突，以適應(yīng)WSN網(wǎng)絡(luò)的特殊環(huán)境?？墒窃趩涡诺拉h(huán)境下，并不能完全解決隱藏終端和暴露終端問題。隱藏終端和暴露終端問題帶來的沖突使得通信節(jié)點(diǎn)需要重發(fā)已發(fā)送的信息，如果重發(fā)后繼續(xù)有沖突發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)的通信就會(huì)陷入一種惡性循環(huán)，同時(shí)也增加了不必要的重發(fā)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低和延遲的增加，因此在MAC協(xié)議中設(shè)計(jì)克服多跳帶來的隱藏終端和暴露終端的影響是必須解決的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合GPS定位技術(shù)和跨層設(shè)計(jì)的思想，提出了一種基于IEEE802.11的跨層協(xié)作MAC協(xié)議——GPSMAC。?

1 相關(guān)的研究工作和存在的問題?

??? 隱藏終端和暴露終端的存在實(shí)質(zhì)上是由于采用了載波偵聽技術(shù)而帶來的問題。對于隱藏終端和暴露終端，通常的解決方法是在每次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，通信雙方先使用短控制報(bào)文進(jìn)行握手，但是簡單地采用握手機(jī)制在單信道無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中并不能解決完全隱接收終端問題、暴露發(fā)送終端和暴露接收終端的問題^[1]。目前有人提出將信道劃分為控制信道和數(shù)據(jù)信道的方法，這樣永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)分組與控制分組，以及數(shù)據(jù)分組之間的沖突，但缺點(diǎn)是增加了新的硬件資源和成本。因此如何降低其帶來的影響是解決問題的另一種途徑。MACA-BI等協(xié)議就是從該角度出發(fā)提出的新的握手控制協(xié)議，此類協(xié)議由接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起握手，而發(fā)送節(jié)點(diǎn)在收到握手之后直接發(fā)送數(shù)據(jù)，有效減少了握手開銷。另一類是由發(fā)送端發(fā)起的握手，如RIMA、IEEE802.11。理論上，由接收端發(fā)起的握手協(xié)議比由發(fā)送端發(fā)起的握手協(xié)議有更好的網(wǎng)絡(luò)性能，但這類協(xié)議^[2,3]在很大程度上依賴于接收節(jié)點(diǎn)對來自上游節(jié)點(diǎn)的預(yù)測結(jié)果。然而在實(shí)際的應(yīng)用中，對于實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)和突發(fā)性業(yè)務(wù)來說是極不確定的，很難根據(jù)一種預(yù)測算法來準(zhǔn)確地觸發(fā)握手信號(hào)的發(fā)送，即由接收端發(fā)起的握手協(xié)議的有效性是難以界定的。?

2 采用跨層設(shè)計(jì)思想的GPSMAC協(xié)議?

2.1 GPSMAC協(xié)議設(shè)計(jì)思想?

??? 本文基于IEEE802.11提出了一種新的單信道MAC層協(xié)議，與其他協(xié)議不同的是本協(xié)議采用跨層設(shè)計(jì)^[4]的思想，通過物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的跨層協(xié)作，有效降低單信道下隱藏終端和暴露終端的影響，提高網(wǎng)絡(luò)的性能?？鐚釉O(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)邏輯上并不毗鄰的各協(xié)議層間的信息共享和互動(dòng)操作。在原有的分層體系結(jié)構(gòu)中，每一層分別設(shè)計(jì)并相互獨(dú)立，層間接口是靜態(tài)并且獨(dú)立于個(gè)別的網(wǎng)絡(luò)約束和應(yīng)用，這種體系結(jié)構(gòu)模型在互聯(lián)網(wǎng)中極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并且可以得到具有良好魯棒性和擴(kuò)展性的協(xié)議，但在WSN網(wǎng)絡(luò)中，該模型的剛性和局部優(yōu)化性將嚴(yán)重限制網(wǎng)絡(luò)的性能。本文引入跨層設(shè)計(jì)的思想，物理層的主要任務(wù)是向MAC層、網(wǎng)絡(luò)層提供本層的GPS定位信息，MAC層將網(wǎng)絡(luò)層傳來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓畔鬟f給物理層，網(wǎng)絡(luò)層則提供路由信息和狀態(tài)信息給MAC層和物理層，即三層的信息作為其他協(xié)議層優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，來解決隱藏和暴露終端問題造成的不利影響?？鐚釉O(shè)計(jì)方案如圖1所示。?

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2.2 GPSMAC協(xié)議設(shè)計(jì)?

??? GPS技術(shù)具有提供節(jié)點(diǎn)位置信息的能力，本文假設(shè)利用已有的定位算法[4]可以得到準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)位置信息。因此節(jié)點(diǎn)之間可以根據(jù)此信息和路由信息建立相互的位置信息列表List。L_id表示鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息，在多跳業(yè)務(wù)的控制幀中包含此L_id。下游節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)聽上游節(jié)點(diǎn)的CTS、ACK并獲取L_id和狀態(tài)信息S_id。狀態(tài)信息S_id用于標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)布的隱藏終端或暴露終端信息。在無信息傳輸時(shí)，通過節(jié)點(diǎn)定位幀周期性地輪詢，及時(shí)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生的變化做出響應(yīng)，以便對節(jié)點(diǎn)之間的相互位置信息進(jìn)行更新。?

??? 如圖2所示，設(shè)數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)A經(jīng)B、C發(fā)送到節(jié)點(diǎn)D，并且節(jié)點(diǎn)之間沒有傳輸錯(cuò)誤發(fā)生。

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??? 節(jié)點(diǎn)A向B發(fā)送RTS的同時(shí)，包含B的位置信息L_id和狀態(tài)信息S_id，若狀態(tài)信息S_id表示該節(jié)點(diǎn)不是隱藏終端或暴露終端，并且A具有滿足發(fā)射的能力，則節(jié)點(diǎn)B提取RTS中的L_id，同時(shí)標(biāo)識(shí)自身的S_id，將L_id和S_id包含在CTS中返回節(jié)點(diǎn)A，此時(shí)節(jié)點(diǎn)C監(jiān)聽到來自于B的CTS，提取CTS中的L_id和S_id，在List中查詢，若本地List中存在此L_id，則表明C是節(jié)點(diǎn)B的下一跳節(jié)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)B的Ack信號(hào)。節(jié)點(diǎn)A收到來自于節(jié)點(diǎn)B的CTS，開始發(fā)送Data，節(jié)點(diǎn)B收到Data并返回Ack應(yīng)答，這時(shí)Ack相當(dāng)于802.11協(xié)議中的RTS，將觸發(fā)節(jié)點(diǎn)C的CTS直接發(fā)送。節(jié)點(diǎn)C監(jiān)聽到來自節(jié)點(diǎn)B的Ack信號(hào)后，根據(jù)提取的S_id做出的判斷，向B發(fā)送包含了L_id和S_id的CTS。向B發(fā)送CTS的同時(shí)被節(jié)點(diǎn)D所監(jiān)聽，節(jié)點(diǎn)D將重復(fù)節(jié)點(diǎn)C的操作。當(dāng)A與D之間的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，要將L_id和S_id的信息置空，表示傳輸結(jié)束。?

??? 圖3是GPSMAC協(xié)議設(shè)計(jì)的沖突處理機(jī)制。?

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2.3 隱藏終端和暴露終端問題的解決?

??? 隱藏終端是指在接收節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的通信范圍外的節(jié)點(diǎn)。如圖4(a)所示，節(jié)點(diǎn)B既在節(jié)點(diǎn)A的通信范圍內(nèi)，也在節(jié)點(diǎn)C的通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C卻不在相互的通信范圍內(nèi)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于隱藏終端C聽不到A發(fā)送信息，也可能向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送信息，這樣就造成報(bào)文在接收終端B處的碰撞，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B不能解釋任何信息，從而降低了信道的利用率，增加了系統(tǒng)時(shí)延。同樣C向B發(fā)送信息時(shí)，A也是C的隱藏終端。暴露終端是指在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)而在接收節(jié)點(diǎn)的通信范圍之外的節(jié)點(diǎn)，如圖4(b)所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)C因聽到節(jié)點(diǎn)B的發(fā)送而延遲發(fā)送，但節(jié)點(diǎn)C在接收節(jié)點(diǎn)A的通信范圍之外，只要節(jié)點(diǎn)C不準(zhǔn)備與節(jié)點(diǎn)B通信，它的發(fā)送就不會(huì)影響節(jié)點(diǎn)B的發(fā)送，更不會(huì)在節(jié)點(diǎn)A處造成沖突，節(jié)點(diǎn)C是暴露終端。隱藏終端和暴露終端可以分為隱藏發(fā)送終端和隱藏接收終端、暴露發(fā)送終端和暴露接收終端四種情況。其中隱藏接收終端(隱藏終端C作為接收者)、暴露發(fā)送終端(暴露終端C作為發(fā)送者)和暴露接收終端(暴露終端C作為接收者)問題，使用RTS-CTS的握手機(jī)制是無法解決的，其根本原因是控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文同在一個(gè)信道上傳送會(huì)發(fā)生沖突。?

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??? 本文采用跨層設(shè)計(jì)思想，利用來自網(wǎng)絡(luò)層和物理層的路由信息和定位信息建立的位置信息列表List和狀態(tài)信息S_id來解決上述問題。圖4(a)中節(jié)點(diǎn)的位置信息列表如表1所示。?

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??? 下面以圖4為例說明隱藏終端和暴露終端問題的解決。在圖4(a)中，A向B發(fā)送RTS+L_id+S_id，B向A返回CTS+L_id+S_id，此時(shí)Sid的狀態(tài)為“忙”，節(jié)點(diǎn)C監(jiān)聽到來自于B的CTS，提取CTS中的L_id和S_id，在List中查詢，若本地List中存在B但不存在A，則表明C是節(jié)點(diǎn)A的隱藏終端，B正在與A通信，于是C向鄰居節(jié)點(diǎn)D發(fā)送狀態(tài)信息S_id，通知D它是隱藏終端，暫時(shí)不要向其發(fā)送數(shù)據(jù)，D可以處理其他事務(wù)，直至節(jié)點(diǎn)C監(jiān)聽到來自節(jié)點(diǎn)B的ACK信號(hào)。對于暴露終端問題，處理方法與隱藏終端的處理相似。在圖4(b)中，當(dāng)B準(zhǔn)備向A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先向A發(fā)送RTS+L_id+S_id，A收到后將返回一個(gè)CTS+L_id+S_id，C監(jiān)聽到來自B的RTS+L_id+S_id，提取RTS中的L_id和S_id，在List中查詢，發(fā)現(xiàn)本地List中存在B，但不存在A，同時(shí)C沒有收到來自A的CTS，則表明C是暴露終端，C停止向B發(fā)送數(shù)據(jù)，并且通知鄰居節(jié)點(diǎn)D，先處理其他事務(wù)，目前不能通信，直至C監(jiān)聽到來自B的S_id“非忙”狀態(tài)信息，C才會(huì)恢復(fù)與B或C的通信。圖4(b)中節(jié)點(diǎn)的位置信息列表如表2所示。?

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2.4 沖突處理機(jī)制?

??? 在本文提出的GPSMAC協(xié)議中，一跳以外的節(jié)點(diǎn)間的通信是由對上游節(jié)點(diǎn)的ACK幀的監(jiān)聽來實(shí)現(xiàn)的，若ACK幀發(fā)生沖突，則下游節(jié)點(diǎn)無法證實(shí)上游節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的成功接收，同理CTS幀的沖突也會(huì)造成通信的延遲，甚至失敗。因此通過設(shè)置定時(shí)器來解決這一問題。?

??? 在圖3中，當(dāng)D 同時(shí)接收到C發(fā)出的Ack幀與網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀或Ack幀，則它們會(huì)發(fā)生沖突；或者來自另一條路由上的RTS與D向C發(fā)送的CTS發(fā)生沖突，使C無法接收到D發(fā)出的CTS。為了解決這一問題，當(dāng)C向B發(fā)送Ack時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器Timer，當(dāng)時(shí)間超時(shí)，C仍未收到CTS，表明Ack或CTS丟失或沖突，則C將向D主動(dòng)發(fā)出握手信息RTS，重新建立C與D之間的聯(lián)系，從沖突中恢復(fù)。此外，通過L_id和S_id的傳遞及層間協(xié)作機(jī)制，可以避免協(xié)議中存在的無效CTS和CTS沖突現(xiàn)象，當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的接收并向上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送Ack信號(hào)時(shí)，需將Ack信號(hào)中的S_id置空，表明數(shù)據(jù)包的傳輸完成，避免了協(xié)議中無效的CTS發(fā)送，同時(shí)可以根據(jù)L_id來判斷其相鄰的多個(gè)節(jié)點(diǎn)中，由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS，來避免CTS的沖突。?

3 協(xié)議性能分析 ?

??? 本文提出的GPSMAC協(xié)議利用GPS的技術(shù)優(yōu)勢增加位置信息L_id和狀態(tài)信息S_id來有效降低節(jié)點(diǎn)發(fā)射失敗和隱藏、暴露終端問題造成的影響，提高WSN網(wǎng)絡(luò)的性能。該協(xié)議一方面可以解決隱藏終端和暴露終端問題對網(wǎng)絡(luò)性能造成的影響，另一方面節(jié)約了控制幀RTS、CTS、ACK傳輸開銷，即在一跳之后RTS-CTS握手變?yōu)橹挥蠧TS握手。使用仿真工具實(shí)現(xiàn)提出的GPSMAC協(xié)議，并與IEEE802.11和MACA-BI協(xié)議進(jìn)行了比較。針對圖4建立網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要的仿真參數(shù)的設(shè)定和仿真結(jié)果如表3、圖5～圖7所示。仿真結(jié)果表明，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，新提出的GPSMAC協(xié)議和MACM-BI、IEEE802.11相比，在吞吐量、延遲性和控制報(bào)文的開銷上均有較大改善，說明了協(xié)議對隱藏終端和暴露終端問題的處理的有效性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的，涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)廣闊的應(yīng)用前景和潛在的實(shí)用價(jià)值已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是將對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。本文提出了一種利用GPS的技術(shù)特點(diǎn)和跨層設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議，目的在于解決無線WSN網(wǎng)絡(luò)的隱藏終端和暴露終端問題帶來的影響，以提高網(wǎng)絡(luò)的性能，并定義了沖突避免機(jī)制。下一步的工作是在實(shí)際的物理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)本文的協(xié)議設(shè)計(jì)，通過物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方案的有效性。?

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參考文獻(xiàn)?

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