SimpliciTI网络的PSCP—FA机制研究
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【摘要】本文开展了对simpliciti网络FA频率跳变机制的研究，并且针对其信道切换时存在的信道选取盲目性问题，引入周期性同步机制和信道预测机制，改进了原有的信道检测模型，提出了一种基于周期性同步和信道预测的pscp-fa网络接入机制。
【关键词】网络接入；信道预测；PSCP-FA
1.引言
随着无线通信技术的快速发展，无线传感器网络技术在社会各个方面的应用越来越广泛，这对传感器网络系统的低功耗、低成本和短开发周期等方面，提出了更高的要求，而网络接入机制一直是传感器网络中研究的重点。
2.网络接入存在的问题
网络的接入根据具体情况的不同，在对网络的实际设计的过程中可能出现很多问题，一般可以将问题总结为以下几个方面：（1）能量受限：由于无线传感器网络能量受限，相对于其它无线网络而言，能量也是在设计网络时要首先考虑的因素。一般将造成这种能量的消耗的原因分成四种类型：1）数据碰撞（data collision）；2）串音（overhearing）；3）空闲侦听（idle listening）；4）控制开销（control overhead）。（2）频率受限：无线网络的通信频段，在考虑无线电波传输技术的因素的同时，还应该考虑政府对于频段使用的相关政策法规。根据国际标准和我国频谱使用实际情况，无线传感器网络一般使用2.4～2.4835GHz通信频段。因此在频率资源有限的情况下，为每个想要与其它终端节点通信的终端都独立地分配一个信道是不现实的，因此应尽量采用信道共享技术。（3）网络可展性：由于无线传感器网络节点数目，节点分布情况会在网络的生存过程中不断的变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓朴结构具有动态特性，网络接入也应当具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓朴结构。（4）网络效率：网络效率主要包括网络公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。对于无线传感器网络而言，应该尽可能的保证网络的公平性，以实现整个网络生存周期最大化。
3.网络接入方式
3.1 TDMA接入方式
TDMA时分复用接入方式是实现信道分配的简单成熟的机制，在无线传感器网络中采用TDMA机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽，而节点在其他空闲时槽内转入睡眠状态。TDMA机制的一些特点非常适合传感器网络节省能量的需求：TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态。
TDMA接入方式如图1所示，整个时间帧被分为多个时隙，在不同的时隙内完成相应节点的通信和数据传送交换，在每个时隙内，将帧分为两部分，一部分为控制帧，主要完成网络的控制信息交换；另一部分为数据帧，主要完成节点的数据传送功能。TDMA接入方式需要节点之间比较严格的时间同步。时间同步是传感器网络的基本要求：多数传感器网络都使用了侦听/睡眠的能量唤醒机制，利用时间同步来实现节点状态的自动转化；节点之间为了完成任务需要协同工作，30这同样不可避免地需要时间同步。TDMA机制在网络扩展性方面存在不足：很难调整时间帧的长度和时槽的分配；对于传感器网络的节点移动、节点失效等动态拓扑结构适应性较差；对于节点发送数据量的变化也不敏感。
3.2 CSMA/CA接入方式
CSMA/CA接入方式是典型的基于竞争的随机访问信道接入方式，采用按需使用信道的方法。它的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式决定节点优先使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。CSMA/CA（CSMA with collision avoidance）工作模式采用带冲突避免的载波侦听多路访问协议，它可以作为基于竞争的随机访问信道接入方式的代表。
在CSMA/CA工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，而虚拟载波侦听由MAC层提供。如图2所示，节点A希望向节点B发送数据，节点C在A的无线通信范围内，节点D在节点B的无线通信范围内，但不在节点A的无线通信范围内。节点A首先向节点B发送一个请求帧Crequest-to-send，RTS），节点B返回一个清除帧（clear-to-send，CTS）进行应答。在这两个帧中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，称为网络分配矢量（Network allocation vector，NAV），其他帧的MAC头也会捎带这一信息。节点C和D在侦听到这个信息后，就不再发送任何数据，直到这次数据交换完成为止。NAV可看作一个计数器，以均匀速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为忙状态。
4.SimpliciTI网络FA机制
SimpliciTI网络协议中引入了一种新型的FA（Frequency Agility）机制，FA机制的引入能够有效解决网络信道受到外界噪声干挠的情况下，进行相应的信道切换，其原理如图3所示。首先设定若干信道，假定将其分为n个信道，从Chanel 0到Chanel n，把时间轴分割为若干时隙，从t0到tn。在组网过程中，当t0时刻节点启动，初始化成功将进入默认信道Chanel 0，又有节点启动加入网络，系统初始化进入信道Chanel 0，假设在t1时刻，该信道被占用或出现大功率通信设备对网络通信产生干挠，发送端节点在发送数据包后，在一定时间内没有收到接收端节点的应答回复，则发送端节点判定该信道故障，为了保证网络正常通信，须采用频率跳变FA方式，切换信道到可用的有效信道。在网络中数据中心节点负责对整个网络的调度，当切换信道后，数据中心节点向网络中其它节点发送一个广播帧，通知其它节点切换到相应的通信信道。如果网络中出现休眠的节点设备，假设t1时刻信道受到干挠，休眠的节点设备因无法接收到来自数据中心节点的广播帧，则无法跳变到相应频道，tn时刻休眠状态结束，此时，休眠的节点已与网络通信中断，向网络发送请求不能到来自数据中心的应答回复，则说明通信信道已经发生改变，此时采取轮询的方式对信道进行搜索，如果在发送请求信息后能接收到来自数据中心的应答回复，则说明该信道通信有效可用，通信成功。
SimpliciTI网络FA频率跳变机制，使得整个网络相比于传统的组网方式上有了很大的改进，网络通信可靠性增强，提高了网络的抗干挠能力，并且提高了频谱利用率。
5.PSCP-FA网络接入机制
5.1 FA机制存在的问题
SimpliciTI网络采用FA机制，虽然相比于其它接入方式有效地解决了外界对网络通信的干扰问题，但是FA机制却存在一些问题：
①对于休眠的节点设备，信道改变后，重新加入网络过程中采用轮询的方式进行尝试加入网络，加大了网络的组网开销，如果信道个数比较多的情况下，采用此种方式使得网络的组网时间增大，同时还加重了整个网络通信负载；
②对于中心节点AP，在网络受到干扰的情况下，网络进行FA时具有一定的盲目性，这对整个网络而言，是一种很被动的方式；基于上面的问题，我们结合TDMA和CSMA接入方式的基础上，引入了周期性同步机制和信道预测机制，提出了一种基于周期性同步和信道预测的PSCP-FA网络接入机制。
5.2 PSCP-FA
PSCP-FA网络接入模型
在PSCP-FA接入方式中，主要分为两个阶段，一部分网络节点周期性同步阶段，另一部分为随机访问阶段。在改进型的FA模型中，引入了三个概念，分别为FA周期性同步帧，MRSSI信道预测算法和信道列表的概念。PSCP-FA网络接入方式如图4所示，在传统的CSMA方式的基础上增加了一定长度的FA周期性同步帧。
周期性同步阶段主要分为三个部分，分别完成三个功能，整个网络中节点设备与网络的同步；对各个子信道的通信质量测试，并更新维护信道列表对整个网络的信道进行有效的预测；在信道受到干扰的情况下，根据信道列表进行相应的频率跳变，实现信道的切换。在随机访问阶段，采用CSMA/CA的方式，网络中各节点设备仍采用随机竞争的方式实现网络接入。
5.3 PSCP-FA通信机制
根据上面所提到的信道周期性同步机制和MRSSI信道预测算法，PSCP-FA网络通信机制如图5所示。
其工作流程详述如下：
①网络建立成功，进行第一次FA周期同步，网络中设备侦听到周期性同步信息帧；
②网络中节点设备进入同步阶段，对网络中设备进行周期性校正，实现整个网络中节点设备的同步；
③进入MRSSI阶段。ED节点设备向AP节点设备发送RTS；
④执行RSSI测量，并对测量数据进行处理；
⑤返回ACK包，ACK包中包含测量数据；
⑥执行信道切换，进行一下次RSSI信道测试，重复执行（3）-（5）的步骤，直到整个网络中定义的信道测量完毕；
⑦更新网络中所有节点设备的信道列表CL的数据结构表，进入FA阶段，判断网络是否进行FA；
⑧根据数据列表CL的数据结构表average项的值，执行FA，改变通信频率，
切换到相应的信道；
⑨周期同步结束，进入随机访问阶段，网络中所有设备采用CSMA方式；
⑩等待下一FA周期同步帧的到来。
6.小结
本文重点研究SimpliciTI网络PSCP-FA机制。首先对网络接入方式存在的问题进行分析，SimpliciTI网络协议的FA机制能够有效保证在整个网络受到外部干挠的情况下，网络中设备通信的可靠性。但存在信道切换时信道选取盲目性的问题，为了解决这个问题，引入周期性同步机制和信道预测机机制，改进了原有的信道检测模型，提出了一种基于周期性同步和信道预测的PSCP-FA（periodicsynchronization and channel pediction FA）网络接入机制。
参考文献
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作者简介：杨娜（1984—），女，商丘工学院机械工程学院教师。