無線傳感器網絡多信道通信技術分析

中國人民解放軍91469部隊 盧 山

無線傳感器網絡多信道通信技術分析

中國人民解放軍91469部隊 盧 山

本文從多個角度出發，分析、探討無線傳感器網絡多信道通信技術的應用。主要包括的內容有MAC協議的設計，多信道廣播與頻域感知，以及時間同步協議安全等。同時，在分析的基礎上，提出了具體解決的辦法。希望可以作為研究多信道通信應用于無線傳感器中的資料，推動無線傳感器網絡技術的快速發展。

無線傳感器；網絡；多信道通信技術

隨著通信技術的不斷發展，多信道通信技術逐漸被應用到網絡通信當中，該技術不但解決了由于信道干擾造成的網絡癱瘓問題，而且提高了網絡通信的吞吐量，保證了網絡通信的可靠性。但與此同時，也引發了新的問題。比如單信道廣播問題，以及網絡安全問題等。介于此，本文對多信道頻譜感知、時間同步安全問題，多信道廣播，以及多信道MAC協議進行了相關的分析與研究。

1 多信道MAC協議在無線傳感器網絡中的問題

首先，節點的競爭比較激烈。McMAC協議，SSCH協議均為多信道通信，節點能夠在多個信道中分布，相對于單信道協議來講，節點的競爭力比較小。但是，無線傳感器中的節點數量多，而且無線信道資源很不充足。使用McMAC以及SSCH協議，如果大量的節點分布在一個信道上，就會加大信道節點的競爭。尤其是在節點密集程度嚴重時，任何一個信道中的競爭都非常劇烈。雖然使用TSMP協議可以減少一個信道上的競爭，但是該協議使用靜態的分配方式，網絡擴展性不強。其次，節點消失的問題。在McMAC協議中，當節點發送信息后，就會自動脫離自己所屬的信道，切換到其他的目標信道中，完成信息的發送。同時，通過其他信道不會發現該節點，從而導致節點消失。另外，在SSCH協議中，由于信道序列的改變，也面臨同樣的問題。最后，節點通信存在不公平的問題。McMAC協議的網絡不是同步的，各個節點時間片的分布也呈現出不規律的特點，從而起到減少競爭的作用。然而，當兩個節點在一個信道上發生周期重疊后，就會形成競爭，而且周期早的節點通常會競爭成功，從而導致不公平的競爭。

2 無線傳感器網絡多信道頻譜感知

2.1 多信道頻譜感知的研究意義

在無線認知傳感器網絡中，為了保證系統的有效運行，應該提高周圍信道信息的真實性、可靠性，以及準確性。為了達到以上目的，對頻譜感知技術的可靠性要求非常高。雖然頻譜感知技術已經逐漸走向成熟，在檢測的過程中，能夠識別出信道的狀態。但是由于該技術的特點比較復雜，再加上無線傳感器在節點計算、空間儲存，以及信道檢測方面的能力不足，所以將認知無線電中的頻譜感知技術應用到無線傳感器網絡中很不合理。針對以上問題，本文提出DCN協作式的頻譜感知算法，將該技術可以應用到無線傳感器網絡中。

2.2 DCN的協作頻譜感知算法

每個節點在無線傳感器網絡信道中，都存在相應的檢測狀態，在一定的周期內，可以獲得N個檢測數據。傳感器節點受到檢測信息后，將這些信息再傳送到信息融合節點，完成信息的融合。假設節點的數量為K，檢測數據矩陣為H，根據相關的公式，可以得到檢測數據矩陣為Wishart矩陣W。當該矩陣為K個特征值時，則。跟據以上特征，對協作頻譜檢測器Dt進行構建，可以得出：

然后，根據DCN分布的函數，來計算Dt的閾值。計算的公式為：，通過具體的閾值來對主用戶的存在與否進行判斷。當時，那么可以得知此時用戶不存在，反之，用戶存在。由此可以看出，在協作頻譜感知中，Dt的閾值對檢測的準確性起著決定性的作用。因此，必須確定出DCN的PDF表達式。當時，表達式為：

根據（3）式中DCN的PDF表達式，可以得出DCN的另一種CDF表達式，具體為：

從以上的表達式可以看出，要使DCN的PDF表達式更加準確，其中其關鍵性作用的因素是。本文利用最小特征函數來計算系數，得出CDF分布的函數為（3-23），同時通過微分計算，可以得到PDF函數，即：

3 無線傳感器網絡多信道廣播問題

多信道MAC協議應用于無線傳感器網絡，具有強大的吞吐量以及通信抗干擾性，同時可以減少在通信中消耗的能量，引起了人們的廣泛關注。但是在廣播支持上面，沒有足夠的考慮。

3.1 廣播通信存在的具體問題

廣播通信也是一種通信形式，被廣泛應用于無線傳感器網絡中。比如：查詢路由、數據，同步時間等。當無線通信為單通道時，由于節點分布在一個通道，可以利用無線電波的廣播特性，實現廣播信息的傳送與接收。但是在多信道的通信中，由于節點蘇醒的時間不同，基于節省能量，導致很多節點處于睡眠的狀態，在這種情況下，就沒有辦法接收到信號，導致廣播通信遇到阻力與障礙。其中，最突出的三個關鍵問題為：第一，減小通信能量的消耗，利用節點轉接的辦法，提高廣播通信的覆蓋率。第二，解決由于節點轉播面臨的廣播冗余問題。第三，控制節點轉播的次數，防止廣播通信延遲，造成網絡故障。

3.2 分布式樹形廣播協議

針對以上問題，通過對多信道廣播研究，提出分布式樹形廣播協議來解決。該協議以發送廣播訓練包為主，在發送過程中，通過無線傳感器網絡、多跳，建立一個廣播樹。完成之后，通過這個廣播樹，可以將節點廣播包發送出去，提高廣播通信的覆蓋率，以及有效率，同時也解決了通信的延遲問題。該協議簡稱DTB。其中，DTB在使用過程中，存在的優點主要為：第一，該協議在多跳的環境下，采用動態的分配方式，提高了廣播通信的覆蓋率，減少了通信能量的消耗，最終提高了信息的傳送、接收效果。第二，基于該方法下的廣播樹訓練包，采用分布式的方法，比之前的集中式算法更簡單，而且對節點的要求不高，具有很強的拓展性，應用于無線傳感器網絡中，效果更佳。再次，該協議只要沿著廣播樹的路徑傳輸即可，不要求控制信息，節省了網絡在控制中的開銷。最后，當無線網絡出現異常時，DTB方法具有很強的適應性，主要表現為節點部分結構發生變化或者失效，但是不影響整個廣播樹的通信功能。

4 結束語

本文主要對多信道通信技術在無線傳感器網絡中的應用進行探討。具體對多信道MAC協議、多信道頻譜感知，以及多信道廣播問題進行探討。在分析研究的過程中，提出各個技術運用的原理，以及存在的問題，然后提出具體的解決辦法。比如：RTMAC協議的應用，DCN的協作頻譜感知算法，分布式樹形廣播協議等，希望可以對未來無線傳感器網絡的發展起到促進作用。

[1]秦紹華．無線傳感器網絡多信道通信技術的研究[J]．山東大學,2014(03)．

[2]蔡營,王京鐸．WIA-PA工業無線網絡多信道MAC機制研究[J]．西南大學,2013(04)．

[3]劉姍姍．無線傳感器網絡多信道MAC協議的研究[J]．遼寧大學,2013(05)．