??? 摘? 要： 結合GPS技術提供的定位特點，采用跨層設計思想，提出了一種單信道多跳WSN 網絡的媒體訪問控制協議。在協議的控制幀中攜帶路由信息和狀態信息，根據這些信息，判斷存在的暴露終端和隱藏終端，同時利用上游節點的ACK應答作為與下游節點的RTS握手，建立CTS/DATA/ACK的三次交互機制。仿真表明，與已有的IEEE802.11和MACA-BI等同類協議相比，該協議可有效解決隱藏終端和暴露終端問題，提高網絡的吞吐量和端到端的延時，并降低網絡的握手開銷和控制幀的沖突概率。?

??? 關鍵詞: 無線傳感器網絡； 隱藏終端； 暴露終端； 全球定位系統

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??? 無線傳感器網絡的出現改變了人與自然的交互方式，是21世紀最具影響的IT技術之一，在軍事、環境、醫療、家庭和其他的商用領域有很高的應用價值和廣闊的應用前景。由于WSN網絡的特殊性，基于固定或有中心控制的網絡協議不能滿足其要求。基于共享廣播信道的傳統接入技術ALOHA、CSMA等只能在一跳共享的情況下使用，而WSN網絡是多跳共享的，存在隱藏終端和暴露終端問題，所以不能直接使用，因此出現了很多改進的協議,如MACA、MACAW、MACA-BI等，最終形成了802.11的DCF機制。它們通過握手機制來避免沖突，以適應WSN網絡的特殊環境。可是在單信道環境下，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點需要重發已發送的信息，如果重發后繼續有沖突發生，網絡的通信就會陷入一種惡性循環，同時也增加了不必要的重發，導致網絡吞吐量降低和延遲的增加，因此在MAC協議中設計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鍵問題。本文結合GPS定位技術和跨層設計的思想，提出了一種基于IEEE802.11的跨層協作MAC協議——GPSMAC。?

1 相關的研究工作和存在的問題?

??? 隱藏終端和暴露終端的存在實質上是由于采用了載波偵聽技術而帶來的問題。對于隱藏終端和暴露終端，通常的解決方法是在每次發送數據之前，通信雙方先使用短控制報文進行握手，但是簡單地采用握手機制在單信道無線網絡系統中并不能解決完全隱接收終端問題、暴露發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據信道的方法，這樣永遠不會發生數據分組與控制分組，以及數據分組之間的沖突，但缺點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等協議就是從該角度出發提出的新的握手控制協議，此類協議由接收節點發起握手，而發送節點在收到握手之后直接發送數據，有效減少了握手開銷。另一類是由發送端發起的握手，如RIMA、IEEE802.11。理論上，由接收端發起的握手協議比由發送端發起的握手協議有更好的網絡性能，但這類協議^[2,3]在很大程度上依賴于接收節點對來自上游節點的預測結果。然而在實際的應用中，對于實時性業務和突發性業務來說是極不確定的，很難根據一種預測算法來準確地觸發握手信號的發送，即由接收端發起的握手協議的有效性是難以界定的。?

2 采用跨層設計思想的GPSMAC協議?

2.1 GPSMAC協議設計思想?

??? 本文基于IEEE802.11提出了一種新的單信道MAC層協議，與其他協議不同的是本協議采用跨層設計^[4]的思想，通過物理層、MAC層和網絡層的跨層協作，有效降低單信道下隱藏終端和暴露終端的影響，提高網絡的性能。跨層設計的主要目標是實現邏輯上并不毗鄰的各協議層間的信息共享和互動操作。在原有的分層體系結構中，每一層分別設計并相互獨立，層間接口是靜態并且獨立于個別的網絡約束和應用，這種體系結構模型在互聯網中極大地簡化了網絡設計并且可以得到具有良好魯棒性和擴展性的協議，但在WSN網絡中，該模型的剛性和局部優化性將嚴重限制網絡的性能。本文引入跨層設計的思想，物理層的主要任務是向MAC層、網絡層提供本層的GPS定位信息，MAC層將網絡層傳來的網絡拓撲變化信息傳遞給物理層，網絡層則提供路由信息和狀態信息給MAC層和物理層，即三層的信息作為其他協議層優化設計的依據，來解決隱藏和暴露終端問題造成的不利影響。跨層設計方案如圖1所示。?

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2.2 GPSMAC協議設計?

??? GPS技術具有提供節點位置信息的能力，本文假設利用已有的定位算法[4]可以得到準確的節點位置信息。因此節點之間可以根據此信息和路由信息建立相互的位置信息列表List。L_id表示鄰居節點的位置信息，在多跳業務的控制幀中包含此L_id。下游節點同時監聽上游節點的CTS、ACK并獲取L_id和狀態信息S_id。狀態信息S_id用于標識節點發布的隱藏終端或暴露終端信息。在無信息傳輸時，通過節點定位幀周期性地輪詢，及時對網絡拓撲發生的變化做出響應，以便對節點之間的相互位置信息進行更新。?

??? 如圖2所示，設數據從節點A經B、C發送到節點D，并且節點之間沒有傳輸錯誤發生。

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??? 節點A向B發送RTS的同時，包含B的位置信息L_id和狀態信息S_id，若狀態信息S_id表示該節點不是隱藏終端或暴露終端，并且A具有滿足發射的能力，則節點B提取RTS中的L_id，同時標識自身的S_id，將L_id和S_id包含在CTS中返回節點A，此時節點C監聽到來自于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是節點B的下一跳節點，同時監聽節點B的Ack信號。節點A收到來自于節點B的CTS，開始發送Data，節點B收到Data并返回Ack應答，這時Ack相當于802.11協議中的RTS，將觸發節點C的CTS直接發送。節點C監聽到來自節點B的Ack信號后，根據提取的S_id做出的判斷，向B發送包含了L_id和S_id的CTS。向B發送CTS的同時被節點D所監聽，節點D將重復節點C的操作。當A與D之間的數據傳輸結束，要將L_id和S_id的信息置空，表示傳輸結束。?

??? 圖3是GPSMAC協議設計的沖突處理機制。?

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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點的通信范圍內而在發送節點的通信范圍外的節點。如圖4(a)所示，節點B既在節點A的通信范圍內，也在節點C的通信范圍內，節點A和節點C卻不在相互的通信范圍內。當節點A向節點B發送數據時，由于隱藏終端C聽不到A發送信息，也可能向節點B發送信息，這樣就造成報文在接收終端B處的碰撞，可能導致節點B不能解釋任何信息，從而降低了信道的利用率，增加了系統時延。同樣C向B發送信息時，A也是C的隱藏終端。暴露終端是指在發送節點的通信范圍之內而在接收節點的通信范圍之外的節點，如圖4(b)所示，當節點B向節點A發送信息時，節點C因聽到節點B的發送而延遲發送，但節點C在接收節點A的通信范圍之外，只要節點C不準備與節點B通信，它的發送就不會影響節點B的發送，更不會在節點A處造成沖突，節點C是暴露終端。隱藏終端和暴露終端可以分為隱藏發送終端和隱藏接收終端、暴露發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)、暴露發送終端(暴露終端C作為發送者)和暴露接收終端(暴露終端C作為接收者)問題，使用RTS-CTS的握手機制是無法解決的，其根本原因是控制報文和數據報文同在一個信道上傳送會發生沖突。?

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??? 本文采用跨層設計思想，利用來自網絡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和狀態信息S_id來解決上述問題。圖4(a)中節點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發送RTS+L_id+S_id，B向A返回CTS+L_id+S_id，此時Sid的狀態為“忙”，節點C監聽到來自于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是節點A的隱藏終端，B正在與A通信，于是C向鄰居節點D發送狀態信息S_id，通知D它是隱藏終端，暫時不要向其發送數據，D可以處理其他事務，直至節點C監聽到來自節點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B準備向A發送數據時，首先向A發送RTS+L_id+S_id，A收到后將返回一個CTS+L_id+S_id，C監聽到來自B的RTS+L_id+S_id，提取RTS中的L_id和S_id，在List中查詢，發現本地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發送數據，并且通知鄰居節點D，先處理其他事務，目前不能通信，直至C監聽到來自B的S_id“非忙”狀態信息，C才會恢復與B或C的通信。圖4(b)中節點的位置信息列表如表2所示。?

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2.4 沖突處理機制?

??? 在本文提出的GPSMAC協議中，一跳以外的節點間的通信是由對上游節點的ACK幀的監聽來實現的，若ACK幀發生沖突，則下游節點無法證實上游節點的數據是否已經完成數據的成功接收，同理CTS幀的沖突也會造成通信的延遲，甚至失敗。因此通過設置定時器來解決這一問題。?

??? 在圖3中，當D 同時接收到C發出的Ack幀與網絡中的某個移動節點發送的數據幀或Ack幀，則它們會發生沖突；或者來自另一條路由上的RTS與D向C發送的CTS發生沖突，使C無法接收到D發出的CTS。為了解決這一問題，當C向B發送Ack時，啟動定時器Timer，當時間超時，C仍未收到CTS，表明Ack或CTS丟失或沖突，則C將向D主動發出握手信息RTS，重新建立C與D之間的聯系，從沖突中恢復。此外，通過L_id和S_id的傳遞及層間協作機制，可以避免協議中存在的無效CTS和CTS沖突現象，當節點完成數據的接收并向上一跳節點發送Ack信號時，需將Ack信號中的S_id置空，表明數據包的傳輸完成，避免了協議中無效的CTS發送，同時可以根據L_id來判斷其相鄰的多個節點中，由哪個節點發送CTS，來避免CTS的沖突。?

3 協議性能分析 ?

??? 本文提出的GPSMAC協議利用GPS的技術優勢增加位置信息L_id和狀態信息S_id來有效降低節點發射失敗和隱藏、暴露終端問題造成的影響，提高WSN網絡的性能。該協議一方面可以解決隱藏終端和暴露終端問題對網絡性能造成的影響，另一方面節約了控制幀RTS、CTS、ACK傳輸開銷，即在一跳之后RTS-CTS握手變為只有CTS握手。使用仿真工具實現提出的GPSMAC協議，并與IEEE802.11和MACA-BI協議進行了比較。針對圖4建立網絡的拓撲結構，主要的仿真參數的設定和仿真結果如表3、圖5～圖7所示。仿真結果表明，隨著網絡負載的增加，新提出的GPSMAC協議和MACM-BI、IEEE802.11相比，在吞吐量、延遲性和控制報文的開銷上均有較大改善，說明了協議對隱藏終端和暴露終端問題的處理的有效性。無線傳感器網絡是當前國際上備受關注的，涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。傳感器網絡廣闊的應用前景和潛在的實用價值已經引起了許多國家學術界和工業界的高度重視，被認為是將對21世紀產生巨大影響力的技術之一。本文提出了一種利用GPS的技術特點和跨層設計思想設計的MAC層協議，目的在于解決無線WSN網絡的隱藏終端和暴露終端問題帶來的影響，以提高網絡的性能，并定義了沖突避免機制。下一步的工作是在實際的物理平臺上實現本文的協議設計，通過物理實驗進一步驗證本文設計方案的有效性。?

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參考文獻?

[1] 孫利民, 李建中.無線傳感器網絡.北京：清華大學出版社， 2005.?

[2] IEEE 802.11,Wireless LAN Medium Access Control(MAC)?and Physical Layer(PHY) specification[S].?

[3] MORRAES R M D, Garcia-Luna-Aceves J J. Receiverinitiated collision avoidance in multi-hop ad hoc networks[A]. ProcCIC’04[C]. Las Vegas: IEEE Press, 2004.124-126.?

[4]? MONTILLET J P, BRAYSY T, OPPERMANN I. Algorithm ??? for nodes localization in wireless ad-hoc networks based?on cost function[A]. Proceedings of the International?Workshop on Wireless Ad-hoc Networks(IWWAN2005)[C].http://www.cs.berkeley.edu.?

[5] WALROD J. Sensor network technology for joint undersea?warfare[A]. Proc. Of the NDIA Joint Undersea Warfare?Technology Conference[C]. San Diego, 2002.?