无线传感器网络多信道通信技术分析

中国人民解放军91469部队 卢 山

无线传感器网络多信道通信技术分析

中国人民解放军91469部队 卢 山

本文从多个角度出发，分析、探讨无线传感器网络多信道通信技术的应用。主要包括的内容有MAC协议的设计，多信道广播与频域感知，以及时间同步协议安全等。同时，在分析的基础上，提出了具体解决的办法。希望可以作为研究多信道通信应用于无线传感器中的资料，推动无线传感器网络技术的快速发展。

无线传感器；网络；多信道通信技术

随着通信技术的不断发展，多信道通信技术逐渐被应用到网络通信当中，该技术不但解决了由于信道干扰造成的网络瘫痪问题，而且提高了网络通信的吞吐量，保证了网络通信的可靠性。但与此同时，也引发了新的问题。比如单信道广播问题，以及网络安全问题等。介于此，本文对多信道频谱感知、时间同步安全问题，多信道广播，以及多信道MAC协议进行了相关的分析与研究。

1 多信道MAC协议在无线传感器网络中的问题

首先，节点的竞争比较激烈。McMAC协议，SSCH协议均为多信道通信，节点能够在多个信道中分布，相对于单信道协议来讲，节点的竞争力比较小。但是，无线传感器中的节点数量多，而且无线信道资源很不充足。使用McMAC以及SSCH协议，如果大量的节点分布在一个信道上，就会加大信道节点的竞争。尤其是在节点密集程度严重时，任何一个信道中的竞争都非常剧烈。虽然使用TSMP协议可以减少一个信道上的竞争，但是该协议使用静态的分配方式，网络扩展性不强。其次，节点消失的问题。在McMAC协议中，当节点发送信息后，就会自动脱离自己所属的信道，切换到其他的目标信道中，完成信息的发送。同时，通过其他信道不会发现该节点，从而导致节点消失。另外，在SSCH协议中，由于信道序列的改变，也面临同样的问题。最后，节点通信存在不公平的问题。McMAC协议的网络不是同步的，各个节点时间片的分布也呈现出不规律的特点，从而起到减少竞争的作用。然而，当两个节点在一个信道上发生周期重叠后，就会形成竞争，而且周期早的节点通常会竞争成功，从而导致不公平的竞争。

2 无线传感器网络多信道频谱感知

2.1 多信道频谱感知的研究意义

在无线认知传感器网络中，为了保证系统的有效运行，应该提高周围信道信息的真实性、可靠性，以及准确性。为了达到以上目的，对频谱感知技术的可靠性要求非常高。虽然频谱感知技术已经逐渐走向成熟，在检测的过程中，能够识别出信道的状态。但是由于该技术的特点比较复杂，再加上无线传感器在节点计算、空间储存，以及信道检测方面的能力不足，所以将认知无线电中的频谱感知技术应用到无线传感器网络中很不合理。针对以上问题，本文提出DCN协作式的频谱感知算法，将该技术可以应用到无线传感器网络中。

2.2 DCN的协作频谱感知算法

每个节点在无线传感器网络信道中，都存在相应的检测状态，在一定的周期内，可以获得N个检测数据。传感器节点受到检测信息后，将这些信息再传送到信息融合节点，完成信息的融合。假设节点的数量为K，检测数据矩阵为H，根据相关的公式，可以得到检测数据矩阵为Wishart矩阵W。当该矩阵为K个特征值时，则。跟据以上特征，对协作频谱检测器Dt进行构建，可以得出：

然后，根据DCN分布的函数，来计算Dt的阈值。计算的公式为：，通过具体的阈值来对主用户的存在与否进行判断。当时，那么可以得知此时用户不存在，反之，用户存在。由此可以看出，在协作频谱感知中，Dt的阈值对检测的准确性起着决定性的作用。因此，必须确定出DCN的PDF表达式。当时，表达式为：

根据（3）式中DCN的PDF表达式，可以得出DCN的另一种CDF表达式，具体为：

从以上的表达式可以看出，要使DCN的PDF表达式更加准确，其中其关键性作用的因素是。本文利用最小特征函数来计算系数，得出CDF分布的函数为（3-23），同时通过微分计算，可以得到PDF函数，即：

3 无线传感器网络多信道广播问题

多信道MAC协议应用于无线传感器网络，具有强大的吞吐量以及通信抗干扰性，同时可以减少在通信中消耗的能量，引起了人们的广泛关注。但是在广播支持上面，没有足够的考虑。

3.1 广播通信存在的具体问题

广播通信也是一种通信形式，被广泛应用于无线传感器网络中。比如：查询路由、数据，同步时间等。当无线通信为单通道时，由于节点分布在一个通道，可以利用无线电波的广播特性，实现广播信息的传送与接收。但是在多信道的通信中，由于节点苏醒的时间不同，基于节省能量，导致很多节点处于睡眠的状态，在这种情况下，就没有办法接收到信号，导致广播通信遇到阻力与障碍。其中，最突出的三个关键问题为：第一，减小通信能量的消耗，利用节点转接的办法，提高广播通信的覆盖率。第二，解决由于节点转播面临的广播冗余问题。第三，控制节点转播的次数，防止广播通信延迟，造成网络故障。

3.2 分布式树形广播协议

针对以上问题，通过对多信道广播研究，提出分布式树形广播协议来解决。该协议以发送广播训练包为主，在发送过程中，通过无线传感器网络、多跳，建立一个广播树。完成之后，通过这个广播树，可以将节点广播包发送出去，提高广播通信的覆盖率，以及有效率，同时也解决了通信的延迟问题。该协议简称DTB。其中，DTB在使用过程中，存在的优点主要为：第一，该协议在多跳的环境下，采用动态的分配方式，提高了广播通信的覆盖率，减少了通信能量的消耗，最终提高了信息的传送、接收效果。第二，基于该方法下的广播树训练包，采用分布式的方法，比之前的集中式算法更简单，而且对节点的要求不高，具有很强的拓展性，应用于无线传感器网络中，效果更佳。再次，该协议只要沿着广播树的路径传输即可，不要求控制信息，节省了网络在控制中的开销。最后，当无线网络出现异常时，DTB方法具有很强的适应性，主要表现为节点部分结构发生变化或者失效，但是不影响整个广播树的通信功能。

4 结束语

本文主要对多信道通信技术在无线传感器网络中的应用进行探讨。具体对多信道MAC协议、多信道频谱感知，以及多信道广播问题进行探讨。在分析研究的过程中，提出各个技术运用的原理，以及存在的问题，然后提出具体的解决办法。比如：RTMAC协议的应用，DCN的协作频谱感知算法，分布式树形广播协议等，希望可以对未来无线传感器网络的发展起到促进作用。

[1]秦绍华．无线传感器网络多信道通信技术的研究[J]．山东大学,2014(03)．

[2]蔡营,王京铎．WIA-PA工业无线网络多信道MAC机制研究[J]．西南大学,2013(04)．

[3]刘姗姗．无线传感器网络多信道MAC协议的研究[J]．辽宁大学,2013(05)．