多信道的信道接入協(xié)議 DCA-PC

信道接入協(xié)議對網(wǎng)絡(luò )的性能起著(zhù)決定性的作用，是WSNs技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。單信道的信道接入協(xié)議在節點(diǎn)規模增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò )性能明顯變差。采用多信道機制,可以提高網(wǎng)絡(luò )吞吐量，減小傳播延時(shí)，降低沖突的概率，更易于支持網(wǎng)絡(luò )的QoS(Quality of Service)保障。多信道協(xié)議主要應解決兩個(gè)問(wèn)題：信道分配和接入控制，信道分配是要為不同的通信節點(diǎn)分配相應的信道，接入控制是確定節點(diǎn)接入信道的時(shí)機，解決好競爭和沖突的避免問(wèn)題。本文介紹3種多信道的信道接入協(xié)議：多信道的CSMA(Carrier Sense Multiple Access)，FAMAC(Frequency Assignment based multi-channel Multiple Access Control)，DCA-PC，其中DCA-PC是本文的重點(diǎn)。

　　基于CSMA和FAMAC的多信道MAC層協(xié)議

　　● 多信道CSMA

　　是一種基于載波監聽(tīng)的信道接入協(xié)議。其設計目標是通過(guò)使用多信道來(lái)減少隱終端問(wèn)題的影響，減少數據報文的沖突。它采用準信道預留技術(shù)，通過(guò)分布式的載波監聽(tīng)來(lái)對多個(gè)信道進(jìn)行分配。

　　準信道預留技術(shù)的原理是：當節點(diǎn)發(fā)送報文時(shí)，它優(yōu)先選擇上次使用過(guò)的信道;如果該信道忙，就通過(guò)載波監聽(tīng)隨機選擇一個(gè)空閑信道發(fā)送數據。

　　多信道CSMA將可用信道分為N個(gè)不重疊的信道，一般而言N要小于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的數目。每個(gè)子信道的帶寬是整個(gè)信道帶寬的1/N。

　　● FAMAC協(xié)議

　　FAMAC是一種基于頻率分配的多信道接入協(xié)議，設置一個(gè)控制信道和多個(gè)數據信道。實(shí)現時(shí)，所有節點(diǎn)使用一個(gè)固定的頻率作為控制信道，完成RTS(Request To Send)和CTS(Clear To Send)的交互。處于空閑狀態(tài)的節點(diǎn)駐留在控制信道上。另外，為每個(gè)節點(diǎn)分配一個(gè)不同的頻率，作為該節點(diǎn)的數據信道值。信道選擇時(shí)，發(fā)送者向接受者發(fā)送的RTS中，攜帶自己的頻率信息。接收者收到RTS后，記錄發(fā)送者的頻率，回送CTS，將電臺切換到發(fā)送者的頻率上，接收數據。

　　以上兩種協(xié)議都是針對多信道設計的，較好地解決了接入控制和信道選擇問(wèn)題;隱終端和暴露終端的影響也得到了很好地控制。由于WSNs的節點(diǎn)通常運行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，能源無(wú)法代替，難以補充。所以能量受限的約束條件要求其MAC協(xié)議首先要關(guān)注的就是能量效率，要盡可能地節約能源，而上述兩種協(xié)議對此未作足夠的考慮。DCA-PC協(xié)議從節約能耗的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，在MAC協(xié)議設計中探索了集成功率控制和多信道接入兩種機制的可能性。

　　采用功率控制的多信道協(xié)議DCA-PC

　　DCA-PC協(xié)議首先在WSNs的MAC層設計中將功率控制的概念與多信道接入結合起來(lái)，節約能耗，減少鄰居節點(diǎn)共用信道時(shí)的相互干擾，提高信道復用度。

　　● 信道模型

　　帶寬被劃分為一個(gè)控制信道和n個(gè)數據信道D1，D2，……，Dn?？刂菩诺烙糜诳刂茍笪牡膫魉?，目標是為節點(diǎn)合理分配數據信道，避免沖突;數據信道用于數據報文和ACK(Acknowledgement)報文的傳送。

　　從避免沖突，提高信道預約成功率的角度出發(fā)，控制報文發(fā)送采用最大功率;為了降低能耗，提高信道復用度，將數據報文的發(fā)送功率劃分為大小不同的若干等級，通過(guò)RTS-CTS握手，可計算出雙方通信必需的最小功率，數據報文發(fā)送采用最接近最小發(fā)送功率的那個(gè)功率等級。

　　為實(shí)現動(dòng)態(tài)信道分配和功率控制，每個(gè)節點(diǎn)都要保存3個(gè)數組。以節點(diǎn)A為例來(lái)說(shuō)明：

　　Power[i]功率列表: 節點(diǎn)A向節點(diǎn)i發(fā)送數據報文時(shí)應采用的功率等級。(——可利用功率控制的原理計算得出。)

　　CUL(Channel Usage List)[i]信道使用狀況列表: A節點(diǎn)獲悉的已用信道列表。CUL[i]有4個(gè)域：

　　——CUL[i].host：記錄節點(diǎn)A的鄰居節點(diǎn)的主機。

　　——CUL[i].ch ：記錄CUL[i].host占用的數據信道。

　　——CUL[i].rel-time ：表示釋放CUL[i].ch數據信道的時(shí)間。

　　——CUL[i].int記錄CUL[i].host發(fā)送的信號是否會(huì )被節點(diǎn)A聽(tīng)到(CUL[i].int值為1或0)。

　　FCL空閑信道列表: 節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)的可用信道列表，可根據CUL計算得出。