无线传感网络的海上多信道通信技术

廖 利，叶海琴

(周口师范学院，河南 周口466001)

0 引 言

在现代海上各种应用领域，如船舶多目标识别系统及海底探测等，基于无线传感网络的各种应用系统已经应运而生，其具有网络覆盖面广﹑节点密度可灵活控制等特点。无线传感网络技术与多信道通信技术的结合，具有更加良好的信道吞吐容量及较高信号传输率特性。

在现有的无线传感网络及无线通信中，通信的数据层与物理层协议为MAC 协议［1-2］。在多信道中，由于无线传感网络发射端需要2个发射器，不仅使系统成本上升，而且造成信号之间的干扰，同时提高接收端的复杂性。

本文在研究现代海上无线传感网络及多信道通信系统的基础上，利用分簇网络模型在频分复用﹑时分复用通信系统中的应用，通过选择合适的分簇网络深度及网络半径来达到最优传输性能，最后利用分簇原理设计优化现有的多信道无线传感网中的MAC算法，并进行仿真。

1 无线传感网络及多信道模型

1.1 无线传感网络模型

海上无线传感网络［3］一般由以下4 部分组成:

1)物理感知单元:如温度传感器﹑图像传感器等，用于获取具体物体的感知数据。

2)数据处理单元:对传感器采集的目标数据进行预处理。

3)数据传输单元:和多信道无线通信相结合，用于数据的传送和接收。

4)能量单元:对整个网络进行能量供给。

图1 无线传感网络结构图Fig.1 The architecture diagram of wireless sensor network

图1 为海上无线传感网络结构图。

在现代无线传感网络中，只有少部分节点的通信移动，其余部分静止，并且无线传感网络具有如下特征:

1)资源有限:无线传感网络中的数据处理设备通常基于嵌入式芯片开发，决定了其数据存储、处理能力的受限。

2)自组织体系:无线传感网络中的节点与节点之间不可预知，即一个节点的通信链路可能因为网络中其他节点失效或通信中断而发生改变，从而改变整个无线传感网络的组网结构。

3)数据为中心的结构:在无线传感网络中，处理中心只关心数据本身的意义，并不关心数据发送端的节点，而在传统无线网络中，是以IP 地址为中心。

1.2 多信道通信在无线传感网络中的模型

在多信道通信技术应用之前，无线传感网络中的所有节点接收和发送数据都在同一信道内，节点数据之间的干扰较为严重，同时对单一节点还受到外接噪声干扰，这样利用单一通道的无线传感网络数据传输误码率较高，通信质量较差。而利用多信道通信技术，无线传感网络中处于同一跳范围内的节点，利用不同信道可以同时实现数据的传输，不仅降低了信号之间的码间干扰，也增加了整个无线传感网络的信道容量。

多信道通信模型［4］如图2所示。

图2 多信道结构图Fig.2 The schematic diagram of multi-channel

虽然无线传感网络利用多信道通信技术可以有效提高信道容量及通信质量，但网络通信协议的复杂度也有所提高，与传统的单通道信号传输相比，在多信道的资源负载均衡、多信道广播、多信道频谱利用等问题还有待进一步优化。

2 基于簇的多信道MAC 协议设计

2.1 分簇算法前提

对于利用分簇原理进行无线传感网络多通道MAC 设计基于如下前提:

1)无线传感网络中的汇聚节点为一个簇节点;

2)其他簇中包含的传感器节点的规模与离汇聚簇的距离成反比;

3)所有簇中有一个簇头节点，簇内其他节点与簇头进行数据通信，并且只有一跳路径。

4)按簇划分网络后，簇内节点编号有唯一的ID 号，且汇聚节点是ID 号为1的节点。

2.2 无线传感网络多信道分配

在海上无线通信中，物理层的频率带宽及信道是有限资源，在分簇后，首先需要进行信道资源的合理分配。算法的分配原则是按照簇的优先级别，设ID 号小的簇优先级别较高，并且信道资源只在汇聚节点簇以及各簇的簇头之间分配，当一簇的簇头分配到信道后，则在簇内进行广播通信，告知其他节点信道信息。

在分配初始阶段，汇聚节点存储3个信道分配的相关表格:相邻簇可用信道表﹑相邻簇不可用信道表及包含1 跳与2 跳路径的相邻簇链表。当无线传感网络簇划分完毕后，簇中的汇聚节点首先对所有包含的信道进行扫描分析，去除已被占用或干扰严重的信道，即可构造相对于相邻簇中节点实际可用的信道表及不可用信道表，并进行保存。

1 跳与2 跳相邻簇［5］矩阵如图3所示。

根据图3 计算相邻簇链表，规则如下(i，j 分别表示行和列):

1)元素aij=1 代表簇i 与簇j 之间的传输距离为1 跳，同时i，j 中较小的簇具有较高的优先级别;

2)元素aij=2 代表簇i 与簇j 之间的传输距离为2 跳，同时i，j 中较小的簇具有较高的优先级别;

3)元素aii=m 代表簇i 选择的信道。

假设无线传感网络最终划分的簇的个数为9，如图3所示，划分完毕后，汇聚节点根据簇ID 号的优先级别进行信道分配，对于按簇划分后的网络需要保证2 跳内的簇内节点数据传输在不同的信道内，最后一次得到aii=m 值。

图3 相邻簇矩阵原理图Fig.3 The schematic diagram of clusters of adjacent matrix

最后给出无线传感网络信道分配算法的伪代码:

2.3 无线传感网络基于簇的通信

当传感器网络对信道进行分配初始化完成后，每簇的簇头节点随机利用公共广播信道把分配的信道结果传输至簇内其他节点，簇内节点收到后返回确认信息并保存可用信道，然后转到可用信道进行数据传送。若簇头节点没有接收到其他节点返回的确认信息，则不在利用广播信道传输，而是利用本簇有用信道进行二次交互。

其传感网络簇通信步骤如下:

1)握手过程:接收簇内节点申请的发送和接收数据请求，对可用信道进行检测，如果此时可用信道闲，则分配时隙给申请节点。

2)数据传输过程:簇内节点按照分配的时隙与簇头进行数据交互。

3)终止过程:簇内节点与簇头节点数据传送完成后，则进入终止阶段，等待下一次的传输。

4)网络间通信:簇内数据传输完成后，簇头与簇头之间，以及簇头与汇聚节点之间利用公用信道进行数据传输。

簇内节点时隙分配如图4所示。

图4 簇节点通信时隙分配图Fig.4 Time slot allocationmap

3 算法仿真

利用OMNET++平台对无线传感网络多信道通信进行仿真，此仿真平台是基于OSI 面向对象模型，可以对1 000 多个簇节点通信同时进行计算。

在本次仿真中，无线传感网络划分为115个簇节点，其中23个为汇聚节点，同时簇节点中含有的传感器节点数与离汇聚节点距离成反比，簇中节点最少为1，最多为20。

在开始阶段，簇中任意传感器节点以随机概率生成一个数据量介于0～2 000B的信号，以一定的时隙向簇头进行数据发送请求，如果概率及数据量越大，则簇中信道负载越重。表1 为仿真参数表。

表1 参数设置Tab.1 Parameter setting

无线传感多信道通信网络的数据吞吐量如图5所示。

图5 多信道通信吞吐量图Fig.5 The graph of throughput onmulti-channel communication

4 结 语

无线传感网络技术在海上运输及开发领域已经得到广泛应用，如海底探测﹑多目标检测跟踪等，现有的海上无线传感系统多是基于单一信道进行数据传输，缺点是网络数据吞吐量小，并且信号之间容易干扰。

本文在研究现代海上无线传感网络及多信道通信系统的基础上，分析分簇网络模型在频分复用﹑时分复用通信系统中的应用，通过选择合适的分簇网络深度及网络半径来达到最优传输性能，最后利用分簇原理设计优化了现有的多信道无线传感网中的MAC算法，并进行仿真。

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