??? 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,，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)的通信就會陷入一種惡性循環(huán),，同時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,，通過節(jié)點(diǎn)定位幀周期性地輪詢，及時對網(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)之間沒有傳輸錯誤發(fā)生。

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??? 節(jié)點(diǎn)A向B發(fā)送RTS的同時,，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,，同時標(biāo)識自身的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)，同時監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)B的Ack信號,。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，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)時延。同樣C向B發(fā)送信息時,，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,，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)送就不會影響節(jié)點(diǎn)B的發(fā)送，更不會在節(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)文同在一個信道上傳送會發(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,。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，首先向A發(fā)送RTS+L_id+S_id,，A收到后將返回一個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幀的沖突也會造成通信的延遲,，甚至失敗,。因此通過設(shè)置定時器來解決這一問題,。?

??? 在圖3中，當(dāng)D 同時接收到C發(fā)出的Ack幀與網(wǎng)絡(luò)中的某個移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀或Ack幀,，則它們會發(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，啟動定時器Timer,，當(dāng)時間超時,，C仍未收到CTS，表明Ack或CTS丟失或沖突,，則C將向D主動發(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信號時,，需將Ack信號中的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,，同時可以根據(jù)L_id來判斷其相鄰的多個節(jié)點(diǎn)中，由哪個節(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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