多信道的信道接入协议 DCA-PC

信道接入协议对网络的性能起着决定性的作用，是WSNs技术的研究重点之一。单信道的信道接入协议在节点规模增大时，网络性能明显变差。采用多信道机制,可以提高网络吞吐量，减小传播延时，降低冲突的概率，更易于支持网络的QoS(Quality of Service)保障。多信道协议主要应解决两个问题：信道分配和接入控制，信道分配是要为不同的通信节点分配相应的信道，接入控制是确定节点接入信道的时机，解决好竞争和冲突的避免问题。本文介绍3种多信道的信道接入协议：多信道的CSMA(Carrier Sense Multiple Access)，FAMAC(Frequency Assignment based multi-channel Multiple Access Control)，DCA-PC，其中DCA-PC是本文的重点。

　　基于CSMA和FAMAC的多信道MAC层协议

　　● 多信道CSMA

　　是一种基于载波监听的信道接入协议。其设计目标是通过使用多信道来减少隐终端问题的影响，减少数据报文的冲突。它采用准信道预留技术，通过分布式的载波监听来对多个信道进行分配。

　　准信道预留技术的原理是：当节点发送报文时，它优先选择上次使用过的信道;如果该信道忙，就通过载波监听随机选择一个空闲信道发送数据。

　　多信道CSMA将可用信道分为N个不重叠的信道，一般而言N要小于无线传感网网络中节点的数目。每个子信道的带宽是整个信道带宽的1/N。

　　● FAMAC协议

　　FAMAC是一种基于频率分配的多信道接入协议，设置一个控制信道和多个数据信道。实现时，所有节点使用一个固定的频率作为控制信道，完成RTS(Request To Send)和CTS(Clear To Send)的交互。处于空闲状态的节点驻留在控制信道上。另外，为每个节点分配一个不同的频率，作为该节点的数据信道值。信道选择时，发送者向接受者发送的RTS中，携带自己的频率信息。接收者收到RTS后，记录发送者的频率，回送CTS，将电台切换到发送者的频率上，接收数据。

　　以上两种协议都是针对多信道设计的，较好地解决了接入控制和信道选择问题;隐终端和暴露终端的影响也得到了很好地控制。由于WSNs的节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法代替，难以补充。所以能量受限的约束条件要求其MAC协议首先要关注的就是能量效率，要尽可能地节约能源，而上述两种协议对此未作足够的考虑。DCA-PC协议从节约能耗的观点出发，在MAC协议设计中探索了集成功率控制和多信道接入两种机制的可能性。

　　采用功率控制的多信道协议DCA-PC

　　DCA-PC协议首先在WSNs的MAC层设计中将功率控制的概念与多信道接入结合起来，节约能耗，减少邻居节点共用信道时的相互干扰，提高信道复用度。

　　● 信道模型

　　带宽被划分为一个控制信道和n个数据信道D1，D2，……，Dn。控制信道用于控制报文的传送，目标是为节点合理分配数据信道，避免冲突;数据信道用于数据报文和ACK(Acknowledgement)报文的传送。

　　从避免冲突，提高信道预约成功率的角度出发，控制报文发送采用最大功率;为了降低能耗，提高信道复用度，将数据报文的发送功率划分为大小不同的若干等级，通过RTS-CTS握手，可计算出双方通信必需的最小功率，数据报文发送采用最接近最小发送功率的那个功率等级。

　　为实现动态信道分配和功率控制，每个节点都要保存3个数组。以节点A为例来说明：

　　Power[i]功率列表: 节点A向节点i发送数据报文时应采用的功率等级。(——可利用功率控制的原理计算得出。)

　　CUL(Channel Usage List)[i]信道使用状况列表: A节点获悉的已用信道列表。CUL[i]有4个域：

　　——CUL[i].host：记录节点A的邻居节点的主机。

　　——CUL[i].ch ：记录CUL[i].host占用的数据信道。

　　——CUL[i].rel-time ：表示释放CUL[i].ch数据信道的时间。

　　——CUL[i].int记录CUL[i].host发送的信号是否会被节点A听到(CUL[i].int值为1或0)。

　　FCL空闲信道列表: 节点发送数据时的可用信道列表，可根据CUL计算得出。