3.4.4　跨層MAC協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用分層的體系結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)也大都是分層進(jìn)行的。各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，因此各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。針對(duì)此問(wèn)題，一些研究者提出了跨層設(shè)計(jì)的概念。跨層設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)邏輯上相鄰的協(xié)議層次間的設(shè)計(jì)互動(dòng)與性能平衡。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為了提高能量效率，能量管理機(jī)制、低功耗設(shè)計(jì)等在各層設(shè)計(jì)中都有所體現(xiàn)，但要使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果達(dá)到最優(yōu)，應(yīng)采用跨層設(shè)計(jì)的思想，這樣可以有效節(jié)省能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用跨層設(shè)計(jì)的思想來(lái)設(shè)計(jì)MAC層協(xié)議的研究成果相對(duì)較少，本節(jié)選擇一種有代表性的跨層設(shè)計(jì)架構(gòu)—MINA進(jìn)行介紹。

1. MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MINA是一種基于跨層設(shè)計(jì)的大規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通常由數(shù)百個(gè)低電量、低運(yùn)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中還有一些基站節(jié)點(diǎn)，基站通常具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，并具有充足的能量。

如圖3.16所示，在MINA架構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)分為三種類型：大量靜止的低容量（內(nèi)存、CPU、能量）傳感器節(jié)點(diǎn)；少量手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；靜止的大容量基站節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都帶有一個(gè)半雙工或全雙工的射頻收發(fā)器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。MINA架構(gòu)假設(shè)節(jié)點(diǎn)都能直接進(jìn)行雙向通信。一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的簇定義為在該節(jié)點(diǎn)廣播傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的集合。圖3.16中3號(hào)節(jié)點(diǎn)的簇為陰影區(qū)域。所有的傳感器節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)多跳基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)這些基礎(chǔ)設(shè)施可以相互訪問(wèn)，或者訪問(wèn)基站。基站是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)Sink節(jié)點(diǎn)，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)，基站節(jié)點(diǎn)必須具有超長(zhǎng)的傳輸距離，通過(guò)一個(gè)廣播可將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。

在MINA架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)流量類型主要為傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的上行鏈路，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信也是先通過(guò)上行鏈路到達(dá)基站的，然后再下行廣播給相應(yīng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀主要有三種：控制幀，也就是從基站向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息，通過(guò)直接廣播完成；信標(biāo)幀，所有節(jié)點(diǎn)都需要在一個(gè)公共信道上周期性發(fā)送，包含有節(jié)點(diǎn)信息和本地TDMA分配給節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙信息；數(shù)據(jù)幀，由傳感器節(jié)點(diǎn)生成。

MINA架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是以層的形式來(lái)組織的，距離基站跳數(shù)相同的節(jié)點(diǎn)組成一層。第一層節(jié)點(diǎn)距離基站跳數(shù)為1，第二層節(jié)點(diǎn)距離基站跳數(shù)為2，以此類推，如圖3.16所示，網(wǎng)絡(luò)共有三層。根據(jù)距離基站的跳數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居也可以分為三類，即內(nèi)部鄰居、同等鄰居和外部鄰居。距離基站跳數(shù)比本地更小的鄰居為內(nèi)部鄰居，跳數(shù)相同的鄰居為同等鄰居，跳數(shù)更大的鄰居為外部鄰居。圖3.16中3號(hào)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部鄰居為1號(hào)和2號(hào)節(jié)點(diǎn)，外部鄰居為9號(hào)和10號(hào)節(jié)點(diǎn)。

2. UNPF協(xié)議框架

UNPF（Unified Network Protocol Framework）協(xié)議框架定義了網(wǎng)絡(luò)的組織方式、路由協(xié)議和MAC協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要工作在兩個(gè)交替的狀態(tài)。

（1）網(wǎng)絡(luò)自組織狀態(tài)：在此期間節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居，獲得關(guān)于鄰居的跳數(shù)、能量狀態(tài)、可用緩存大小和本地網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞刃畔ⅰ?/p>

（2）數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)：在此期間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。需要路由協(xié)議來(lái)確定目的地址，MAC協(xié)議來(lái)完成信道訪問(wèn)。圖3.17所示為MAC協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)。

3. 網(wǎng)絡(luò)自組織

傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)獲得鄰居的跳數(shù)信息，以及鄰居的內(nèi)部鄰居和外部鄰居來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)自組織過(guò)程，具體步驟如下。

在每個(gè)超幀的起始階段，基站廣播一個(gè)控制幀（Control Packet，CR），控制幀包括傳感器節(jié)點(diǎn)同步需要的時(shí)間信息，以及傳感器節(jié)點(diǎn)在信標(biāo)幀（Beacon Packet，BI）內(nèi)傳輸各自的信標(biāo)信息的序號(hào)。基站只知道每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的地址信息。

信標(biāo)幀緊跟在控制幀后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制幀中的順序發(fā)送信標(biāo)幀，幀格式如圖3.17所示。信標(biāo)幀包含了節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)、距離基站的跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)的接收信道信息。控制幀和信標(biāo)幀都采用廣播方式發(fā)送。

如圖3.17所示，在信標(biāo)幀后緊緊跟著的就是數(shù)據(jù)傳輸幀。每個(gè)數(shù)據(jù)幀包括β個(gè)時(shí)隙，由MAC協(xié)議來(lái)負(fù)責(zé)分配。

在基站啟動(dòng)后第一個(gè)超幀期間進(jìn)行第一輪BI信息交互時(shí)，基站可獲得第一層節(jié)點(diǎn)的信息，在第二個(gè)超幀期間重復(fù)上述步驟，第一層節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有跳數(shù)信息為1的BI信息。第二層的節(jié)點(diǎn)接收到該信息并將自己的跳數(shù)數(shù)值設(shè)為2，第二層節(jié)點(diǎn)就形成了。超幀周期性地重復(fù)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)最大跳數(shù)為N，第N個(gè)超幀執(zhí)行完畢后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的自組織過(guò)程就完成了。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得以下信息：距離基站的跳數(shù)、內(nèi)部鄰居及相關(guān)參數(shù)、時(shí)隙分配。

4. 路由協(xié)議

對(duì)于由MINA架構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)，分層的自組織結(jié)構(gòu)只需要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的選擇就可以確定下一跳地址。對(duì)于第i層的任意傳感器節(jié)點(diǎn)，如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)到基站，則選擇第i?1層的某個(gè)內(nèi)部鄰居作為下一跳目的節(jié)點(diǎn)即可。內(nèi)部鄰居重復(fù)這一步驟，直到數(shù)據(jù)被基站接收到為止。選擇目的節(jié)點(diǎn)的方法有多種，如隨機(jī)選擇、輪流選擇、能量因子選擇等。根據(jù)能量因子選擇可以確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)有比較平均的能量消耗，不會(huì)使個(gè)別節(jié)點(diǎn)因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)次數(shù)過(guò)多而過(guò)早地耗盡能量。

5. MAC協(xié)議

MINA架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提出了用DTROC（Distributed TDMA Receiver Oriented Channel）來(lái)進(jìn)行信道分配，下面對(duì)DTROC協(xié)議進(jìn)行介紹。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)總共有L層，節(jié)點(diǎn)i位于l層，且l<L。Si表示第l+1層中將節(jié)點(diǎn)i選擇為下一跳地址的節(jié)點(diǎn)的集合。信道分配的基本思想是分配一個(gè)信道Ci給節(jié)點(diǎn)i的接收機(jī)，同時(shí)Si中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將發(fā)射機(jī)調(diào)整到這個(gè)信道。對(duì)于DTROC而言，主要解決兩個(gè)問(wèn)題：在Si中共享信道Ci；在分配信道時(shí)避免相互干擾。

信道預(yù)留：每個(gè)數(shù)據(jù)信道都有固定數(shù)據(jù)（DFSIZE）的時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都有相同的DFSIZE。節(jié)點(diǎn)i為Si中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，這些都通過(guò)BI來(lái)完成。

信道分配：每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇一種兩跳內(nèi)鄰居都沒(méi)使用過(guò)的碼序列，此外信道分配就是為節(jié)點(diǎn)分配碼序列。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i和j都位于l層，有對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)集合Si和Sj；Rk表示節(jié)點(diǎn)k的廣播傳輸范圍；Zi=URk，k屬于Si，表示集合Si中所有節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍之和。如果Zi∪Zj為空集，則表示兩個(gè)集合之間的節(jié)點(diǎn)不會(huì)相互干擾，此時(shí)節(jié)點(diǎn)i和j可分配相同信道，否則就必須分配不同的信道。

MINA架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以用一個(gè)無(wú)向圖模型G=(V, E)表示，其中V表示網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的集合，E表示節(jié)點(diǎn)對(duì)(i, j)，節(jié)點(diǎn)對(duì)兩者都在對(duì)方的信標(biāo)傳輸范圍之內(nèi)，兩者之間存在雙向鏈路。基于圖G可以構(gòu)造另一個(gè)圖G'=(V', E'), V'=V其中(i', j')∈E'，且Zi和Zj的交集非空。MINA架構(gòu)的信道分配問(wèn)題可以建模為圖G'的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上色的問(wèn)題，確保圖中每條邊兩端的節(jié)點(diǎn)具有不同的顏色。由于這是一個(gè)NP問(wèn)題，所以采用貪婪探索方法進(jìn)行次優(yōu)信道分配。首先，將V'中的節(jié)點(diǎn)命名為v'1, v'2, …, v'n，然后依次為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配碼序列。先為v'1分配碼C1，如果（v'1, v'2）∈E，則為v'2分配碼C1，否則為v'2分配碼C2，依次類推。假設(shè)Ni為圖中節(jié)點(diǎn)鄰居的節(jié)點(diǎn)集合，那么需要的碼序列個(gè)數(shù)最多為max{|Ni|, i∈V'}+1。MINA架構(gòu)假設(shè)基站存儲(chǔ)了網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址信息，基站運(yùn)行上述算法，然后在CR陣中廣播并為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配信道。

MINA架構(gòu)提出了一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，該架構(gòu)包括了網(wǎng)絡(luò)自組織、MAC協(xié)議和路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都是根據(jù)距離基站的跳數(shù)以分層的方式來(lái)組織的，利用節(jié)點(diǎn)的層次星系，大大簡(jiǎn)化了路由協(xié)議。通過(guò)使用TDMA和CDMA結(jié)合的機(jī)制，DTROC協(xié)議有效地實(shí)現(xiàn)了沖突避免，提高了能量效率。由于MINA架構(gòu)要求網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)保持靜止，且都能夠接收到基站的廣播包，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用。