张龙妹，史浩山*，陆 伟

(1.西北工业大学电子信息学院，西安710072;2.西北工业大学计算机学院，西安710072)

无线多媒体传感器网络(WMSNs)在传统的无线传感器网络(WSNs)基础上增加了语音，图像，视频等多媒体信息的获取和处理，强大的信息感知功能使其在国防、工业、农业、机械、建筑、医疗等等领域都具有极大的应用前景［1－2］。与传统的WSNs不同的是，WMSNs通常要求更高的带宽，需要更大的网络吞吐量来将大数据量的多媒体信息快速可靠地传送到基站(BS)［3］。但是，现有的商业传感器节点如MICAz［4］提供的250 kbit/s数据率不能有效地支持多媒体流量。当前的无线传感器网络硬件设备，如MICAz和Telos使用CC2420无线收发器，提供了对多个频率信道通信的支持。而目前流行的无线网络协议，如802.11、ZigBee等，虽然在物理层提供了多个可用的频率信道，而MAC层并没有提供多信道的机制来充分利用物理层的信道资源，致使很多性能优良的单信道的MAC协议在多信道环境中发挥不出其优势。因此，设计多信道的MAC协议，允许多对节点在不同信道同时通信，可以增加网络吞吐量并减少节点等待接入信道的时间，对带宽和实时性要求较高的多媒体应用具有重要意义。

本文深入研究了目前移动Ad Hoc网络和WSNs中几种典型的多信道MAC协议，在此基础上，提出了一种轻量级的能量有效的多信道MAC协议——DTFMM协议。该协议基于分簇的网络拓扑，有效地结合了频分和时分机制的特点。仿真结果表明，本文提出的方法可分级性好，通过合理的频分和时分复用避免了节点间的访问冲突，减小了时延，能够最大化网络的吞吐量，满足WMSNs的大数据速率和高QoS要求。

1 引言

目前，针对 Ad Hoc网络和 WSNs的多信道MAC协议的研究大体上可以分为两大类:基于竞争的多信道协议［5－7］和基于调度的多信道 MAC协议［8－9］。DCA［5］协议要求每个节点有两个收发器，指定一个专门的信道用于传递控制消息，其余信道用于数据通信。该协议中有一个收发器始终侦听控制信道，有效地避免了多信道环境的隐藏终端问题，然而，每个节点两个收发器加大了硬件成本。另外，当信道数很少时，一个信道用作控制信道造成了很大的浪费;当信道数很多时，基于包的信道协商又会使控制信道成为瓶颈，使数据信道的利用率不高。MMAC［6］协议基于 IEEE 802.11 的节能模式，每个节点只配备一个半双工无线收发器，通过周期性地传输信标将时间分成了固定大小的信标间隔，在每个信标间隔开始处的ATIM窗口阶段，所有节点都侦听一个公共信道来协商信道分配，ATIM窗口之后的剩余数据窗口里，各个节点切换到协商好的信道交换控制消息进行通信。受可用信道数的限制，相同的信道还是会分配给多个节点，为解决这个问题，MMAC协议在数据窗口仍然需要采用802.11 DCF的RTS/CTS握手机制来竞争占用信道，这将引入可观的控制开销并带来进一步的时延。另外，该协议需要全网严格的时间同步，这从网络成本上来说是个不小的开销。MMSN［7］是第一个专门针对无线传感器网络特点而设计的多信道MAC协议，每个节点配置一个收发器，该协议为每个节点指定一个信道用于接收数据并广播给邻居节点，因此每个节点都知道要给邻居节点传输包时所使用的频率。该协议在信道数足够多的情况下取得了较高的吞吐量，信道数不足时会有多个节点分配到同一个信道导致冲突，从而降低了信道的利用率。Xun等在文献［8］中基于分簇的网络结构，提出了一种簇内频分，簇间时分的多信道MAC协议。该协议采用基于簇首协调的机制增加了节点的总的休眠时间，但是簇首频繁地切换信道要消耗更多的能量。COMMAC［9］协议是专门针对WMSNs的基于调度的多信道MAC协议。该协议也是基于分簇的网络拓扑，但要求簇首装配有N个半双工收发器，由簇首调度簇内成员的频率和时隙的分配。该协议只解决了簇内节点的通信而没有考虑全网的信道分配问题，另外每个簇首装配N个收发器大大增加了硬件成本，而更一般的情况是传感器节点只有一个半双工收发器。

以上所列出的都是当前有代表性的多信道MAC协议，它们都有自身的特点同时也有一定的局限性。本文提出的DTFMM协议只要求每个节点配备单个收发器，较以前的多信道MAC协议更适合于实际的多媒体传感器网络。簇首间分布式局部协调的信道分配和重用策略能保证各个簇同时无干扰的通信。簇首协调的簇内TDMA机制避免了节点间的信道访问冲突，增加了系统中节点总的休眠时间，提高了网络的能效。

2 DTFMM协议设计

2.1 网络拓扑结构和假设条件

2.1.1 网络拓扑结构

一组同构的多媒体传感器节点随机散布在监测区域中，节点之间采用一种类似于HEED［10］的分布式的随机分簇算法形成一些不相交的簇。一小部分传感器节点充当簇首(CH)的功能，负责簇的组织管理和簇内访问的调度安排，其余的大部分节点则负责从周围环境中获取有用信息并传输给相应的CH。簇首之间通过最小生成树路由［11］，将收集到的信息通过多跳方式转发给基站(BS)。分簇的过程要保证每个节点只能加入一个簇，即簇之间没有重叠，为了防止簇首能量很快耗尽，节点可以轮流充当簇首。图1给出了一种通用的分簇网络拓扑结构，箭头代表了各簇首到BS的最小生成树路径。

2.1.2 假设条件

(1)有N个不重叠的可用信道，所有信道具有相同的带宽。

(2)所有多媒体传感器节点是同构的，即具有相同的能量和处理能力。每个传感器节点装有一个半双工收发器。

图1 分簇网络拓扑和CH间的最小生成树路径

(3)BS具有充足的能量供应和处理能力，并装配有N个半双工收发器。BS位于监控区域的中心，其通信范围可覆盖整个监测区域。

(4)每个节点只能加入一个簇，且能跟其CH直接通信。当选为CH的节点将发射功率调整为普通节点的1.5倍，以保证CH之间的连接度，即所有CH都可以通过一跳或多跳路由将收集到的数据传输到BS。

(5)网络成簇后，每个簇都有一个唯一的从0开始并连续编号的簇ID号。BS的簇ID号为0。

2.2 DTFMM协议设计

假设网络已经部署好并形成了如图1所示的分簇拓扑，那么DTFMM协议可以分三个阶段描述，分别是分布式信道分配阶段，簇内通信阶段和簇间通信阶段。

2.2.1 分布式信道分配算法

在网络形成并分簇后，每个CH都知道自己的ID以及相邻簇的ID。每个节点维护一个相邻簇的信息列表NL(包括簇ID号以及信道选择结果)。信道分配顺序基于簇的优先级进行，ID号小的簇优先选择信道。任意CH在开始信道选择时，先检查自己的NL，只有当NL中比自己优先级高的簇选择完毕后才能开始自己的选择。簇首选定信道后，在公共信道广播选择结果，收到广播信息的邻居CH及时更新其NL，而本簇内的成员节点则将收发器调到簇首所选的信道。当最低优先级的CH选择信道后，信道分配过程结束。公共信道可由网络协调者(如BS)在网络建立时选择。图2给出了图1所示的分簇网络的簇ID排序和一种可能的信道选择结果，为了简化，簇内成员节点未画出。本算法中簇ID编号以从内到外扩散方式排序，图中箭头表示最小生成树路径，虚线表示簇首之间一跳可达。

图2 网络中簇ID排序以及信道选择结果

图2中信道分配从CH1开始，选择信道1并向ID号为2，5，7，8的邻簇广播，只有 CH2在其 NL中具有最高优先级，于是选择信道4并广播，其邻居CH3，CH9更新各自的 NL，CH3选择信道 6，然后CH4选择信道3，CH5选择信道5。这一轮结束后，ID号为6，7，8，10，12的簇都在各自的 NL中处于最高优先级，可以同时进行信道选择，但要遵守信道选择的原则，即相邻簇使用不同的且不相邻的信道。按照这种方式，图2中23个簇仅使用6个信道就可以实现各簇内同时且无干扰的通信。

该信道分配算法具有以下几个特点:

(1)用于信道分配的消息开销很小，且消息开销与总的簇数N成线性关系。

(2)任意簇首只要在其NL中具有最小的ID就可以开始信道选择，使得该算法具有一定的并行性。

(3)信道选择保证能在最多N次循环后结束，N是分簇的总数。

2.2.2 簇内通信阶段

网络中节点分簇并形成路由树后，每个簇首与BS共享簇信息，BS知道各个簇的ID及其簇内的节点数。信道选择结束后，各簇首将收发器调到选定的信道上。BS在每个信道内广播簇内通信所需的最大时隙数，以满足节点数最多的簇的通信需求。簇内通信阶段的帧长由最多节点数的簇决定，具有很少节点的簇头可以休眠很长时间直到簇间通信阶段开始。

在簇内通信阶段，簇首收集簇内成员节点的报告数据，为了防止多个节点同时向簇首发送数据造成冲突，簇内采用TDMA方式进行信道访问。簇内通信阶段每个簇的时间帧结构如图3所示，由同步信标，传输请求，调度阶段以及数据传输阶段组成。首先由簇首在本簇的信道内广播同步信标，对各成员节点进行时间同步，然后有数据发送的节点以CSMA方式向簇首发送请求消息，消息中包括自身的节点ID号和要传输的数据大小。簇首收到这些请求信息后根据一定的优先原则进行调度，并在调度阶段将时隙分配情况在信道中广播。各成员节点在各自的时隙到来时进行数据传输，并在传输结束后关掉收发器休眠，直到下一轮簇内通信开始时醒来。所有成员节点的数据传输结束时，簇首关掉无线电进入睡眠模式，直到簇间通信阶段到来。

图3 簇内通信阶段各个簇的时间帧结构

2.2.3 簇间通信阶段

收集了簇内所有成员节点的数据后，簇首和簇首之间通过多跳路由将数据发送给BS，进入簇间通信阶段。假设网络在分簇过程结束后，采用文献［11］中的算法，形成了图1中箭头所指示的路由树，该树以BS为树根，有多个独立、不相交的路径，且路径的最大深度是受限的。簇内通信结束后，各簇首驻留在自己的信道上，簇首间要进行通信，首先必须切换到同一个信道。因此，簇间通信仍然先要解决信道分配问题，以保证各条路径同时无干扰的传输。这里采用一种简单有效地信道分配算法，各条独立的路径采用该路径上距离BS最近的簇首使用的信道。因为前面的信道分配已经保证了相邻簇采用不同的且不相邻的信道，因此，这种基于路径的信道分配策略仍然是无干扰的。同一条路径上的簇首仍然采用TDMA的方式访问信道，时隙的选择按照深度优先的顺序。因此，簇间通信的最大延迟与簇间路由树的最大深度成正比。

3 性能评估

我们在GloMoSim［12］仿真平台下实现了DTFMM协议，并从算法的收敛性、网络的吞吐量、平均包延迟等方面考察协议的性能。为了便于对比和分析，我们还实现了MMSN的平均信道分配算法。

3.1 仿真环境

一定数目的传感器节点随机散布在400 m×400 m的区域，BS位于部署区域的中心。传感器节点的通信范围为50 m，最大可达100 m。BS的通信范围能覆盖整个部署区域。可用的信道数设为8，每个信道带宽都是250 kbit/s。簇内最大节点数为20，路由树的最大深度设为6。假设每个传感器节点以概率P(0＜P≤1)随机产生0～500 byte的数据请求，P越大，则表示每单位时间需要传输的数据越多，网络负载则越重。在以下每组实验中，传感器节点数目从100到600之间变化，对每一种数目的节点部署，用不同的随机种子多次运行分簇算法，以形成不同的分簇网络拓扑，图中每个实验值都是取20次运行结果的平均值。

3.2 仿真结果

3.2.1 分布式信道分配算法的收敛性

信道分配算法的收敛性用全部簇首完成信道选择所用的循环次数来度量。图4给出了信道选择的平均循环次数和节点总数及总簇数之间的关系。从图4中可以看出，随着传感器节点数从100增加到600，网络中的分簇总数从22增加到45，而信道分配算法的平均循环次数只从100个节点时的5次增加到600个节点时的8次。该结果表明，尽管网络规模增长很快，但是信道选择过程仍然在很少的有限次循环后结束，并没有随网络规模的增加线性增加，这是因为算法本身具有一定的并行性，同时也说明该算法对大规模的网络也有很好的收敛性和可分级性。

图4 分布式信道分配算法的收敛性

3.2.2 MAC 层的吞吐量

这里的吞吐量指的是单位时间内MAC层成功传递的总的数据量。图5中给出了DTFMM和MMSN两种协议随着网络中节点数增加时的吞吐量变化情况。从图5中可以看出，当网络中节点数目小于200时，网络中的负载较轻，这两种协议的MAC层吞吐量大致相当。随着节点数的增多，DTFMM的吞吐量随着节点数增多几乎呈线性增长，而MMSN协议的吞吐量增加缓慢，甚至在节点数超过500后吞吐量呈下降趋势。这是因为我们提出的DTFMM协议中信道分配算法是无冲突的，最大限度了重用了网络中可用的频率资源，即使节点数增多也不会造成节点的访问冲突，因此吞吐量随着网络中的节点数增加而几乎线性增加。而MMSN中采用平均信道分配算法，当网络中节点数目继续增多时，信道数目远远不够，就会造成信道的竞争和数据访问的冲突，且这种冲突随着节点数目增多而逐渐加剧，频繁的数据碰撞造成了网络吞吐量的下降。

图5 MAC层总的吞吐量

3.2.3 平均包延时

图6给出了DTFMM和MMSN两种协议随着网络中节点数增加的包延迟性能对比。在节点数为100时，网络中的负载较轻，MMSN协议的延迟要略小于DTFMM，因为DTFMM协议帧内采用TDMA的方式，节点只有在自己的时隙才可以发送数据，带来了一定的延时。然而，随着节点数增多，节点间的信道竞争加剧，MMSN协议中信道冲突的概率越来越大，碰撞和重传带来了较大的延时。而DTFMM协议中节点传输始终是无冲突的，随着簇内节点数增加，簇内通信的时隙数也因此增加，造成时延稍有增大，但受簇内最大节点数的限制(这里设为20)，包延时不会过大。

图6 平均包延时性能对比

4 结论

本文针对无线多媒体传感器网络提出了一种新颖的无冲突的多信道MAC协议。该协议基于分簇的网络结构，采用FDMA和TDMA的混合机制来最大限度地重用频率资源，提高网络吞吐量和时延特性。仿真结果表明即使在传感器节点密度很高的情况下，分布式信道分配算法也可以在少量的循环后收敛，因此算法具有很好的可分级性。下一步将优化设计帧间通信中信道和时隙的分配算法，使得各路径分支中也可用多信道并行传输，进一步降低数据收集的时延。

［1］Akyildiz I F.A Survey on Wireless Multimedia Sensor Networks［J］.Computer Networks，2007，51:921－960.

［2］Sharif A.Wireless Multimedia Sensor Network Technology:A Survey［C］//7th IEEE International Conference on Industrial Informatics，INDIN 2009，June，2009:606－613.

［3］Charfi Y.Challenging Issues in Visual Sensor Networks［J］.IEEE Wireless Communications，2009，16:44－49.

［4］XBOW MICA2 Mote Specifications［EB/OL］＜ http://www.xbow.com/＞.

［5］Wl Shih－Lin.A New Multi-Channel MAC Protocol with On-Demand Channel Assignment for Multi-Hop Mobile Ad Hoc Networks［C］//Proceedings of International Symposium on Parallel Architectures，Algorithms and Networks，I-SPAN 2000，2000:232－237.

［6］So J，Vaidya N.Multi-Channel Mac for Ad Hoc Networks:Handling Multi-Channel Hidden Terminals Using a Single Transceiver［C］//Proceedings of the 5th ACM International Symposium on Mobile ad Hoc Networking and Computing，MobiHoc′04，2004:222－233.

［7］Zhou G.MMSN:Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks［C］//Proceedings of 25th IEEE International Conference on Computer Communications，INFOCOM′06，2006:1－13.

［8］Xun C.A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks［C］//.The Sixth IEEE International Conference on Computer and Information Technology，CIT′06，Sept，2006:224－224.

［9］Cheng L.A Cluster Based On-Demand Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Multimedia Sensor Networks［C］//IEEE International Conference on Communications，ICC′08，May 2008:2371－2376.

［10］Younis O，Fahmy S.HEED:a Hybrid，Energy-Efficient，Distributed Clustering Approach for Ad Hoc Sensor Networks［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2004，3:366－379，

［11］Li－Jen M.A Parallel Algorithm for the Degree-Constrained Minimum Spanning Tree Problem Using Nearest-Neighbor Chains［C］//Proceedings of Fourth International Symposium on Parallel Architectures，Algorithms，and Networks，I-SPAN′99，1999:184－189.

［12］Zeng X.GloMoSim:a Library for Parallel Simulation of Large-Scale Wireless Networks［C］//Proceedings of Twelfth Workshop on Parallel and Distributed Simulation，PADS 98，1998:154－161.