王 剑

（长江大学 计算机科学学院，湖北 荆州 434023）

建立一个无线网络的前提是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的结构是决定网络的成本、速度、特点和实现功能的基础。随着无线网络技术的发展，网络拓扑结构的设计也得到迅速发展。其中簇状树形无线传感器网络凭借其低功耗、健壮性和可扩性好的优点已经在各种领域中得到了广泛的应用。本文在研究该网络的基础上，提出一种混合网络协议，该协议以LMAC为主，结合分频调度机制，采用主动和被动结合式路由，在环境监测领域中得到良好运用。在四湖流域湿地监测的课题中，该网络经测试具有功耗低、时延小、网络扩展性好等诸多优点。

1 簇状树形网络

簇状树形网络提供了一种降低网络能耗，便宜网络规模扩展的方法。如图1所示 簇状树形网络由多层的簇构成，传感器节点和簇头构成第一级簇，一级簇头构成第二级簇，以此类推直到SINK，从整个网络拓扑上看是一个树状结构。数据从传感节点传输到一级簇头，再由一级簇头转发到二级簇头，依次直到SINK。簇状树形拓扑结构便于网络的部署，合理地将已有的终端节点作为簇头的布放位置，在流程上将同区域的传感节点构成一个簇，便于对数据进行融合处理和容错判断。从网络布局上，每个传感节点都是一跳和簇头进行通信，降低传感节点不必要的转发能耗；簇状网络的另一个主要优点是便于网络的扩展，有利于无线自组网络模式的应用[1]。

图1 簇状树形无线自组网络拓扑结构

2 LMAC协议

LMAC协议是一种基于分布式TDMA的信道接入协议。它通过在时间上把信道分成许多时隙,形成一个固定长度的帧结构。一个时隙包含一个业务控制时段和固定长度的数据时段。帧结构的管理机制非常简单,每个节点控制一个时隙。当一个节点需要发送数据包时,它会一直等待,直到属于自己的时隙到来。在每个时隙的控制时段内,节点首先广播消息头 (消息头中详细描述了发送消息的接收节点地址和消息长度),然后马上发送数据;监听到消息头的节点,如果发现自己不是此消息的接收者,它会将自己的无线装置关闭[3]。因此，LMAC不需要时间同步要求。

3 簇状树形网络拓扑结构混合LMAC协议

LMAC协议的不足之处主要有两点：一是入网节点必须监听整个帧结构中的所有控制时段，二是要求节点维护的帧结构时隙大小与网络的规模有关，当网络扩展后帧长度增加，造成数据传输时延增大，不利于无线传感器网络的扩展。

因此，本文提出以簇状树形拓扑结构结合LMAC协议，改善LMAC协议的不足之处，设计了强调低功耗的混合型LMAC协议。

3.1 协议基本流程

协议的基本流程如下：

（1）SINK启动后周期性的扫描频道，准备接收簇头请求；

（2）传感节点启动之后，扫描各簇频道，查询周围的簇头，选择邻居数最多的簇头加入本簇，并由簇头分配节点ID；

（3）传感节点等待自身的时隙到来，首先广播消息头（消息头中详细描述了发送消息的接收节点ID和消息长度），在自身的业务控制时段发送固定长度的数据包给簇头，如不是该节点的消息则该节点关闭无线装置；

（4）簇头将节点的数据进行数据融合处理，向SINK请求频道，之后向SINK发送数据。

与其他的MAC协议相比,接收端正确接收一个消息后,LMAC协议不需要向发送端回送确认消息,簇内LMAC协议采用通过让节点选择一个在两跳范围内的无重用时隙来调度“帧结构”。其业务控制部分包含了详细的描述时隙占用信息的位组,入网的新节点先侦听整个帧结构,扫描所有节点的时隙占用位组,计算出空闲时隙，在节点竞争下占用与其最近的空闲时隙，将该时隙标记为占用,并在下一个帧中相应时隙进行监听。图2说明了LMAC协议的网络节点时隙调度况。

图2 LMAC协议的网络节点时隙调度

基本过程如下：如图2所示原有网络（节点1-7），圆圈内即节点号，亦代表该节点在周期帧中的时隙号；而节点旁显示的是帧时隙占用的位序列，其中0表示该位对应的空闲时隙；新入网节点侦听帧结构中的控制时段，获取邻居节点位组信息，新节点计算得到邻居节点时隙占用情况分布，只有第4位为0，则新节点即选择第4位对应空闲时隙作为时隙业务控制时段，当新节点时隙到来时修改该帧时隙位组信息，将第4位修改为1。

3.2 簇间信道切换

簇内LMAC是单信道数据传输，簇间则采用信道切换的方式传输数据。树形网络内设置等数量个不同频道，以配合不同簇头。Sink持续在各频道间切换，当一级簇头i具有发送数据包时向Sink发送“数据请求发送”，当Sink切换到与该簇头ID为i相同的频道并接收到“数据发送请求”时，就立即停止切换频道，并向簇头返回确认消息。经此握手后则进入数据传输阶段。当数据传输结束后，Sink继续从i+1簇头对应频道进行扫描切换。因此，簇状网络节点最终形成整体树形网络。

3.3 路由设置

簇状树形无线网络路由协议采用混合式路由协议,在LMAC协议下将主动式路由和被动式路由进行有效结合。在簇的内部,所有节点周期维护簇内的完整路由信息,保障在簇内通信的响应时间段,属于主动式路由维护;在簇的外部,采用了按需路由协议,即当节点有数据包发送但没有该节点的路由时,由成员节点向簇首节点发送路由请求消息,簇首节点周期维护邻接簇表,减少簇间通信时的响应时间[2]。

过程实施则通过建立并维护路由表来获得目的节点的路由信息。路由表中主要包括以下信息:目的地址、目的簇首地址、下一跳地址、下一跳簇首地址、跳数、有效时间。簇首节点建立和维护簇内路由表的过程类似主动式路由协议;簇间路由表的建立与维护是簇间数据传输时延能够降低的关键。

4 应用结果

根据上述分析，提出在四湖流域实际应用的一种适应湿地生态环境的监测系统，采用基于LMAC协议的簇状树形Zigbee网络模式实现对多地域多核心参数实时不间断精确测量，同时测量结果能以GPRS和INTERNET双网络实现数据共享，而且被测环境急剧变化时经二级预警优化算法处理后以报警方式通知管理者[5]。

图3 湿地监测系统总体方案

以温度、pH值、电导率、溶氧、土壤湿度和浊度六个参数为研究范本，在四湖流域西干渠荆州监测地域内布置144个终端节点，对周边环境参数进行每小时1次主动查询节点数据，如图4所示为某时间段8小时内某终端节点部分测量参数变化折线图。对比现场实际采样范本检测数据，上述6项参数测量误差均符合预期要求。同时布置所有节点均顺利自组网络,经测算网络实际开销小于3.5%。

图4 某时间段某终端节点参数变化折线图

图5 当前6个月内节点供电情况变化图

如图5所示6个月内节点供电情况变化，终端节点携带有水温、浊度、pH值、溶氧等多种传感器，能够实时不间断的监测湿地各种关键参数，测试网络6个月内终端节点电源供电仅下降了0.35V，功耗很低。测算簇内和簇间终端节点时延，如图6所示。

图6 节点间时延

5 结语

本文在研究LMAC协议的基础上，针对LMAC协议的不足之处，提出采用结合簇状树形网络拓扑结构的方法设计无线传感器网络。以强调低功耗为设计指标，在树形网络簇状内部以单信道LMAC协议作为MAC层，簇间采用循环信道切换实施数据传输，有效地解决了LMAC协议下网络时延较差，扩展性不佳的不足之处。经在四湖流域的湿地环境监测系统实验证明，该方法较好的解决了上述问题。

[1]万亚东,王沁,张晓彤.簇状树形无线传感器网络系统级设计分析[J].计算机科学,2010,3（8）:56-59.

[2]王文,卿利.高动态无线自组网路由协议设计[J].电讯技术,2012,52（5）:804-807.

[3]郑国强.无线传感器网络 MAC协议研究进展[J].自动化学报,2008,34（3）:305-314.

[4]K.Sohrabiet al.Protocols for Self-Organization of a Wireless Sensor Network[J].IEEE Pens Comun,2000,10:16-27.

[5]王剑.基于ZigBee技术的远程水质监测系统关键技术的研究与实现[J].节水灌溉,2011,6:75-77.

[6]Chatterjea S,Van Hoesel L F W,Havinga P J M.AI-LMAC:an adaptive,information-centric and lightweight MAC protocol for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 2004 Intelligent Sensors,Sensor Networks and Information Processing Conference.New Jersey,USA:IEEE,2004:381-388

[7]David Culler,Deborab Esrtin,Mani Sivastava.Overview of Sensor Networks[J].IEEE Computer Society,2004,8.

[8]Ghanadan R,Tufano P,Hsu J,et al.Flexible Access Secure Transfer(FAST)Tactical Communications Waveform for Airborne Networking[C]//Proceedings of 2005 IEEE Military.Communications Conference.Atlantic City,NJ:IEEE,2005:1167-1173.

[9]许航.基于无线自组网技术的能源计量数据采集系统[J].计量与测试技术2010:37(3):19-20.

[10]EI-Hoiydi A,Decotignie J D.WiseMAC:an ultra low power MAC protocol for the downlink of infrastructure wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 9th IEEE International Symposium on Computers and Communications.New York,USA:IEEE,2004:244-251.

[11]Hill J L,Culler D E.Mica:a wireless platform for deeply embedded networks[J].IEEE Micro,2002,22(6):12-24.

[12]Cui S G,Madan R,Goldsmith A J,Lall S.Joint routing,MAC,and link layer optimization in sensor networks with energy constraints[C]//Proceedings of the 2005 IEEE Inter-national Conference on Communications.New Jersey,USA:IEEE,2005:725-729.