基于CSMA/CA无线传感器网络的MAC层研究

1.无线传感器网络简介及发展现状

无线传感器网络是嵌入式系统、无线通信技术、网络技术和微机电系统相互整合、渗透的新技术，广泛应用于军事国防、环境监测、交通管理、医疗卫生、工商服务、反恐等领域，几乎涵盖了生活的各个方面。无线传感器网络通过随机部署的节点形成无线通信网络，完成环境数据的长期自动监控、采集和传输。介质访问控制研究高效节能(MediumAccess Control，MAC)协议是延长网络寿命、提高网络实时性的有效途径。

无线传感器网络的出现引起了全世界的广泛关注。20世纪90年代，美国军方资助了无线传感器网络技术REMBASS、TRSS、SSW、SensorlT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、NEST等待研究项目。此后，美国国家自然基金委员会设立了大量与之相关的项目，如FireBug、CENS等。美国的CmsSbow、DustNetwork、Ember、Chips、Intel、Freescalc欧盟等公司Philips、Siemens、No虹a、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon等公司，日本的NEC、OKI、SkyleyNetworks、OMRON等公司都开展了WSN的研究，与WSN相关国际标准也陆续出台，如IEEE802．15．4、WirelessHART[101、610wpan／ISAl 00[11]等。

在中国，无线传感器网络1 作为该领域提出的五大重大项目之一，999年首次正式出现在中国科学院《知识创新工程试点方向研究》的信息和自动化研究报告中。政府将在2006年发展WSN列入未来15年的发展纲要，清华大学、浙江大学、上海微系统所、中科院计算技术研究所、软件所、声学所、微电子所、沈阳自动化所等单位相继开展了WSN初步建立基础理论研究WSN系统研究平台在节点系统结构、通信协议、覆盖、协同设计和数据管理等方面取得了重要成果Il21。随着无线传感器网络理论和技术的不断成熟，其应用已经从军事和国防扩展到环境监测、交通管理、医疗保健、工商服务、反恐等领域，使人们可以在任何时间、任何地点和任何环境条件下获得大量可靠的信息，最终成为一种无处不在的传感技术。

2.无线传感器网络MAC协议介绍

数据链路层是OSI参考模型中的第二层，其作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。数据链路层为网络层提供透明可用的数据传输服务，主要负责数据流的多路重用、数据帧检测、媒体接入和错误控制，确保无线传感器网络的点到点和点到多点连接。由于无线传感器网络通常具有数据吞吐量低、多跳信道共享、能量有限等特点，其数据链路层主要研究媒体访问和错误控制的问剧无线传感器网络数据链路层的重点是媒体访问控制(MAC)协议，因为它必须依靠大量的节点来实现特定的应用目标。无线传感器网络作为一种能量有限的自组织网络MAC协议设计主要需要解决几个问题。

1) 、能量问题。

传感器节点电池通常由干电池和纽扣电池供电，当电池无法更换或电池耗尽时，节点直接废弃。从降低成本和易于维护系统的角度来看，网络设计通常以节能降耗、提高节点寿命为重要设计目标。无线传感器网络MAC在层设计方面，能量限制的主要影响包括节点休眠调度机制和协议设计的复杂性。传感器节点的无线通信模块通常有发送(TX)、接收(RX)、空闲(IDLE)和休眠(SLEEP)四种工作状态，这四个状态的能耗依次递减。其中，休眠状态的能耗远低于其他状态，只有其他状态能耗的几百分之一。因此，为了节能，节点通常希望尽可能休眠。为确保节点能够及时接收发送给它的数据，MAC协议通常采用侦听/休眠交替策略。如果侦听时间过长，会造成能量浪费；如果侦听时间过短，会增加新闻延迟。

对于一个大规模的自组织网络来说，很难合理选择休眠时间，这需要合理的设计MAC该机制使这一选择更加合理优化。此外，在休眠策略中，还需要考虑收发同步问题。如果目标节点处于休眠状态或醒来后准备就绪，源节点将开始发送，接收端将无法正常接收，这将导致源节点的能量浪费，称为overemitting这需要设计MAC考虑同步协调或节点唤醒机制。此外，节点通信、计算、存储容量有限等能量限制等因素决定了传感器网络MAC子层不能使用计算、处理过于复杂的协议或传输能量损失。例如：如果MAC帧头和控制信息包(ACK／RTS／CTS)如果没有有效的数据，则可以认为是~能量损失的传输过程。对于数据负载较低的无线传感器网络，MAC与数据包相比，控制包的传输会造成更大的能耗。

2) 、网络不平衡。

第一章提到，无线传感器网络中的节点甚至通信链路都会不平衡，导致整个通道通信不平衡，造成不公平、延迟大、能耗大等问题。MAC这些问题在设计中应避免。本文主要考虑节点不平衡造成的异构问题。

3)多跳共享问题。

通信网络有三种信道共享方式:点对点(如两个节点以半双工方式共享一个信道)、点对多点(如蜂窝移动通信系统中的基站和移动平台)、多点共享(如以太网)。无线传感器网络的信道共享模式是多跳共享模式。源节点覆盖范围外的节点不受发射节点的影响。它们还可以同时发送信号，这实际上是信道空间重用模式。信道共享带来的主要问题是数据包的碰撞冲突，即如果网络中的两个节点同时使用相同的信道传输数据，它们会相互干扰，导致数据包损坏，损坏的数据包通常直接丢弃，导致巨大的能耗。

因此，多跳无线传感器网络是为了有效避免碰撞冲突MAC协议的基本任务。不仅如此，无线传感器网络的多路共享信道的使用也会带来隐藏的终端(HiddenTerminals)和暴露终端(Exposed Terminals)问题。在单跳广播信道中，数据包冲突是一个，所有节点都能正确感知信道状态，做出合理的信道访问决策。在多跳传感器网络中，当一个源节点发送数据包时，并非所有其他节点都能感知到事件，这将导致隐藏终端和暴露终端问题。隐蔽终端是指在目标节点覆盖范围内，在源节点覆盖范围外的节点。

暴露终端是指在目标节点覆盖范围之外的节点。隐藏的终端和暴露的终端会新闻延迟和不必要的重新发送，从而降低信道利用率和节点能量浪费，可以使用RTS／CTS握手机制、时间复用等解决问题的方法(请求发送/清除发送)。多跳无线传感器网络也解决了隐蔽终端和暴露终端的问题MAC协议设计的重要任务之一。多跳共享带来的另一个问题是串音(overhearing)问题。当使用共享信道进行通信时，节点可能会收到不发送给它的数据，导致串音。无线传感器网络会造成大量的能耗MAC协议必须尝试协调每个节点的收发，并通过在发送的数据帧中带有目标节点的地址信息来降低串音的概率。

4) 、大规模自组织问题。

与其无线域网(WPAN)相比之下，传感器网络更大，甚至达到数千个节点。同时，由于电池耗尽、无连接等原因，节点可能退出网络，节点位置也可能移动，随时添加新节点，网络拓扑结构将呈现动态变化。因此，无线传感器网络MAC协议必须具有可扩展性、分布性和自组织性。

对于网络的公平性，在无线传感器网络中实现公平性的目的，一方面是为了给每个节点相同的信道访问机会，另一方面可以控制所有节点的能量均匀消耗，从而延长整个网络的使用寿命。除上述问题外，无线传感器网络还存在信息延迟、信道利用率和数据吞吐量问题。

3.无线传感器网络MAC协议分类

对于WSN系统，最重要的是能量保持问题，所以MAC首先要考虑的问题是能量效率，其他典型的性能指标，如公平性、吞吐量和延迟，是根据特定的应用系统提出的不同要求。针对不同的传感器网络应用，提出了各种类型MAC例如，对于大型无线传感器网络，将采用竞争性的信道访问，对于小型、时间要求高的无线传感器网络，不同的系统要求也表现出不同的MAC设计重点。无线传感器网络的MAC协议主要分为四种：

1) 、基于同步竞争MAC协议。基于竞争的MAC当节点需要发送数据时，点需要发送数据时，无线信道通过竞争使用。如果发送的数据发生冲突，则重新发送数据，直到数据发送成功或丢弃。在同步竞争MAC在协议中，节点将时间分为几个时间帧，每个帧分为工作时间和休眠时间。节点在工作期间唤醒射频模块以收发数据，在休眠期间关闭射频模块以节约能源。该协议的一个特点是要求所有节点同步到一个共同的时间，使网络中的所有节点在同一时间唤醒竞争信道。一般来说，同步竞争协议需要适度的全球时钟同步。由于节点同时工作，这类协议的信道效率较高；但缺点之一是竞争和冲突严重。同步竞争协议从SMAC还有[2728TMAC[301、PMAC[311、Sift[321等改进协议。

二、基于异步竞争MAC协议。在异步竞争MAC在协议中，所有节点都保持自己独立的工作周期，当节点醒来时立即竞争信道。在这种协议中，由于收发双方不同步，在发送节点发送数据时，接收节点可能处于休眠状态，因此需要使用低功耗侦听(Low Power Listening，LPL，也叫前导序列技术)唤醒接收节点15引。与同步协议相比，异步协议不需要维持节点同步，但需要额外的唤醒能耗。异步竞争协议主要包括：BMAC[331、WiseMAC[341、XMACl3 51、DFP．MACl361、MFP．MAC[37]、DPS．MAC[3钔、RI．MAC[391、RP_MACt40]、AMAC[41]等协议。

3)、 基于调度的MAC协议。调度类协议的目的就是根据一个设定的计划表来协调网络中各节点工作，这个计划表可以是静态预先分配也可以是动态实时分配。根据使用的技术手段，调度类协可以分为基于时分复用(TDMA)、码分复用(CDMA)和频分复用(FDMA)技术的协议。但是由于硬件条件限制，调度类协议在无线传感器网络中主要指基于TDMA的协议。TDMA的思想就是将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一信道传输。

 

在无线传感器网络中的TDMA机制就是为每个节点分配独立的时隙用于发送信息，而节点在其它时隙转入休眠状态。TDMA机制没有竞争的碰撞重传问题，数据传输不需要过多的控制信息，这些特点满足了无线传感器网络MAC节能的要求。但是TDMA机制需要节点之间比较严格的时间同步，而且TDMA机制在网络扩展性方面存在不足：很难调整时间帧的长度和时隙的分配，对于传感器网络的节点移动、节点失效等动态拓扑结构适应性较差，TDMA机制的信道利用率较低，对于节点发送数据量的变化也不敏感。典型的基于TDMA机制的MAC包括[TRAMA]431、LMAC[441、DMAC[451、AI-MAC[铜、TDMA-ASAPt471、LEACH[60]等协议。

 

  4) 、基于联合设计的MAC协议。有时候为了既节能又保证系统的可扩展性，采取竞争机制CSMA和时分复用TDMA相结合的混合MAC机制，典型的基于联合设计的MAC协议有IEEE 802．1 5．4[71、ZMACl48]、SCP．MAC[49]、Funneling．MAC[501、I．MACt511、Crank．Shaftt521、TH．MACt53]协议等。

 

4、CSMA／CA机制介绍

 

在IEEE802．15．4标准中，MAC机制采用的是CSMA／CA机制访问信道，这个机制采用以超帧为周期组织无线传感器网络内节点间的通信。每个超帧都从协调器发出信标帧开始，这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通节点接收到协调器发出的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务。超帧将通信时间划分成活跃(Active)与不活跃(hacfive)两个部分。在不活跃期间，PAN网络中的设备不会通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。

 

超帧的活跃期间划分为三个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段(CAP)、非竞争访问时段(CFP)。超帧的活跃部分被划分为16个等长的时隙，每个时隙的长度、竞争访问时段包含的时隙数等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。IEEE 802．15．4标准的CSMA/CA机制的结构图如下所示：

 

在超帧的竞争访问时段，IEEES02．15．4网络节点使用带时隙(Slotted)的CSMA／CA访问机制，并且节点间的通信都须在竞争访问时段结束前完成。对于实时性要求较高的网络，会采用CFP阶段的GTS机制，即在非竞争时段，协调器根据节点申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS(一般是7个)。每个GTS由若干个时隙组成，时隙数目在设备申请GTS时指定。如果节点申请GTS时隙成功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目，这其实就是前面所提到的分时复用的MAC访问方式。

 

如图第一个GTS由时隙11．13构成，第二个GTS由时隙14．15构成。每个GTS中的时隙都指定分配给了时隙申请设备，因而不需要竞争信道。超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面。竞争时段的功能包括网络设备可以自由收发数据，域内设备向协调器申请GTS时段，新设备加入当前PAN网络等。非竞争时段由协调器指定的设备发送或者接收数据包。从上述来看，IEEE 802．15．4的MAC机制实际上是一个组合的MAC机制，如2．3节分类所示，CAP阶段是基于同步竞争的MAC，CFP阶段是基于TDMA方式的MAC。但是很多时候没有使用GTS机制，因为CSMA／CA本身就是针对网络规模较大、节点较多的场合，而GTS机制的容量不大，实用性较差，只是在视频流的传输或者其它实时性要求的场合中会用到这个机制。如果某个设备在非竞争阶段一直处在接收阶段，那么拥有GTS使用权的设备就可以在GTS阶段直接向该设备发送消息。

 

 

IEEE 802．15．4的无线传感器网络中存在三种数据传输方式和两种拓扑结构：星形拓扑网络中存在的节点发送数据给协调器、协调器发送数据给节点这两种传输方式，点对点拓扑网络除了前两种传输方式外，还有对等节点之间的数据传输第三种传输方式。在无线传感器网络中，存在两种通信模式：信标使能通信和信标不使能通信。在信标使能的网络中，协调器定时广播信标帧。各个节点之间通信使用基于时隙的CSMA／CA信道访问机制，网络中的节点都通过协调器发送的信标帧进行同步(实际上就是同步竞争模式)。在时隙CSMA／CA机制下，每当节点需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时隙的边界，然后等待随机数目的时隙(Backoff过程)。退避机制完毕后，节点开始检测信道状态(CCA，Clear Channel Accessments)：如果信道空闲，节点就在下一个时隙边界开始发送数据；如果信道忙，设备需要重新等待随机数目个时隙，再检查信道状态，重复这个过程知道有空闲信道出现。在信标不使能的通信网络中，网络协调器不发送信标帧，各个设备使用非分时隙的CSMA／CA机制访问信道(实际上就是异步竞争的访问方式)。

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5、成品方案

E70(433NWxxS)是成都亿佰特自主研发的基于IEEE802.15.4协议上的传感器星型网络系统模块，MAC层采用CSMA/CA防冲突机制，完美解决多设备相互冲突问题，同时节点设备可配置为低功耗类型，无数据收发期间设备自动休眠以节省系统功耗，完美适用于电池设备供电场景。同时，所有操作配置采用行业标准AT指令，极大简化用户操作，适用于多种无线通讯组网场景。