（信息与通信工程专业论文）无线传感器网络中多信道mac机制的研究.pdf

无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究 摘要 随着微机电系统、集成电路、无线通信与信息网络等技术的迅速发展，无线 传感器网络作为感测监控网及无线个域网的一种新的应用模式成为近年来学术界 和工业界的研究热点之一。它集数据采集、处理以及无线通信于一体，具有价格 低廉、部署方式便利、环境自适应等特点，在军事、环境、医疗、家庭等诸多领 域有着广泛的应用前景。无线传感器网络节点密度大，数量多，如何在保证吞吐 量、时延及能耗性能的基础上，构建可靠的传感器网络应用，是传感器网络能真 正走向应用的前提。本文主要研究和设计无线传感器网络中多信道m a c 机制。 首先，分析了当前无线传感网络中m a c 算法和存在的局限性，指出多信道 m a c 的意义，接着分析了当前多信道m a c 算法普遍存在的问题，即要求无线传 感节点至少存在2 个发射器，这样会增加网络成本。本文基于分簇的网络拓扑结 构，利用时分、频分复用，提出了一种基于虚拟链路的多信道m a c 机制一 v l m a c 。v l m a c 包括三个方面的内容，即信道分配、簇内通信和簇间通信。 其在簇内使用时分方式，簇内各节点分时地与簇头节点通信，且相邻簇之间分配 使用不同的信道，以避免干扰和冲突。在整个网络中，形成若干条互不重叠的“虚 拟链路 ，簇间数据通过虚拟链路进行传输。在汇聚节点( s i n k ) 与虚拟链路间， 则通过虚拟m i m 0 的方式进行交互，以避免s i n k 节点周围大量的数据传输所造成 的冲突和干扰。此外，本文在v l m a c 中避免了无线通信中的“聋子问题”，分 析了“隐终端问题”，表明通过适当选择网络深度和网络簇半径，则可避免“隐终 端问题。v l m a c 仅要求硬件节点配备单发射器，符合实际应用。 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议是当前在无线传感器网络中应用最为广泛的协议体系， 本文在深入分析了8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的m a c 机制后，为8 0 2 1 5 4 z i g b e e 应用设计 了一个基于v l m a c 的多信道m a c 机制，并通过通信原语和命令帧实现了此机 制，所实现的原语和命令帧可完全跟8 0 2 1 5 4 z i g b e e 兼容，易于代码实现。 为验证v l m a c 的性能，本文最后通过仿真考察了v l m a c 吞吐量、时延和 能耗三个方面的性能。仿真结果表明，v l m a c 吞吐量大、时延较低、能耗低。 此外，本文设计实现了一个基于8 0 2 1 5 4 多信道m a c 的矿井模拟实验，通过与单 信道通信方式的对比可知，多信道m a c 方式可在网络负载较重时，成倍增大网络 吞吐量。 关键词：无线传感器网络；媒质访问控制；多信道；8 0 2 1 5 4 z i g b e e i l 硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er 印i d d e v e l o p m e n t s o fm e m s( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s m s y s t e m ) ， i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n di n f o m a t i o nn e t w o r k s w i r e l e s ss e n s o r n e t w d r k s ( w s n ) ，a san e wa p p l i c a t i o np a t t e mo fs e n s i n g & m o n i t o r i n gn e t w o r ka n d w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( w p a n s ) ，a r eb e c o m i n ga na c a d e m i ca n di n d u s t r i a l r e s e a r c hf o c u si nr e c e n t y e a r s i n t e g r a t e d w i t hd a t a c o u e c t i n g ，p r o c e s s i n ga n d c o m m u n l c a t l n g ， s e n s o rn e t w o r k sa r ea l s o i n e x p e n s i v e ，e a s yt ob ep l a c e da n d e n v i r o n m e n t a la d a p t i v e ，t h e yh a v eb r o a dp r o s p e c t si n6 e l d so f m i l i t a r y e n v i r o n m e n t ， m e d i c a la n df a m i l ye t c d e n s i t ya n dq u a n t i t yo fn o d e sa r eh i g hi nw s n h o wt ob u i l d ar e l i 百b l es e n s o rn e t w o r ka p p l i c a t i o no nt h eb a s i so fp e r f o n n a n c e so ft h r o u g h p u t ， l a t e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o ni sak e yf a c t o ro fr e a ls e n s o rn e t w o r ka p p l i c a t i o n t h e t h e s i s m a i n l yr e s e a r c ha n dd e s i g l lm u l t i c h a n n e lm e d i u ma c c e s sc o n t r o l( m a c ) s c h e m e si nw s n f i r s t l y ，t h et h e s i sa n a l y s e sa l r e a d ye x i s t i n gm a c a l g o r i t h m sa n dt h e i rl i m i t a t i o n s s i g n i f i c a n c eo fe m p l o y i n gm u l t i c h a n n e li si n d i c a t e d t h e ni ta n a l y s e st h ec o m m o n p r o b l e mi ne x i s t i n gm u l t i c h a n n e lm a c ，n a m e l yn ol e s st h a nt w or a d i o sa r er e q u i r e d f o re v e r yn o d e ，w h i c hi sd i 艏c u l tt om e e t ，a n dn e t w o r kc o s tw i l li n c r e a s ei fs o b a s e d o nc l u s t e r e dn e t w o r kt 叩o l o g y ， t h i st h e s i s p u t sf i o 刑a r dar t u a l“n kb a s e d m u l t i - c h a n n e lm a cs c h e m en a m e da 8v l m a c ，w h i c hu s e st d m aa n df d m a v l m a ci n c l u d e sc h a n n e la s s i g n m e n t ，i n t r a c l u s t e rc o m m u n i c a t i o na n di n t e r c l u s t e r c o m m u n i c a t i o n t d m ai s e m p l o y e di ni n t r a c l u s t e rc o m m u n i c a t i o n i n t r a c l u s t e r n o d e se x c h a n g ed a t aw i t hc l u s t e rh e a d si n t i m e s h a r j n gm o d e n e i g h b o “n gc l u s t e r s o w nd i f l f e r e n tc h a n n e l st oa v o i di n t e r f - e r e n c ea n dc o l l i s i o n s e v e r a ln o n o v e r l a p p i n g v i i r t u a l “n k ( v l ) a r ef o r m e di nt h ew h o l en e t w o r k ，a n dv li su s e dt ot r a n s f e r i n t e r c l u s t e rd a t a v i r t u a lm i m o( m u i t i i n p u t m u l t i o u t p u t )m o d ei se m p l o y e d b e t w e e ns i n ka n dv l s ，i nt h i sw a y ，s e v e r ed a t ac o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c ea r o u n ds i n k c a nb ea v o i d e d f u r t h e n i l o r e ， t h i st h e s i s a n a l y s e sd e a 矗1 e s sp r o b l e ma n dh i d d e n t e n n i n a lp r o b l e mi nv l m a c v l m a co n l yr e q u i r e sn o d e se q u i p p e dw i t hs i n g l e r a d i o ，s oi ti sm o r ep r a c t i c a lf o ra p p l i c a t i o n s 8 0 2 15 4 z i g b e ei st h em o s tw i d e l yu s e dp r o t o c o la r c h i t e c t u r ei nw s n t h et h e s i s d e e p l ya n a l y s e st h em a cs c h e m eo f8 0 2 15 4 z i g b e e ，t h e nd e s i g n sav l m a cb a s e d i i i 无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究 m u l t i - c h a n n e ls c h e m ef o ri t t h es c h e m ei sr e a l i z e db yc o m m u n i c a t i o np r i m i t i v e sa n d c o m m a n d 矗a m e s ，w h i c ha r ec o m p a t i b l ew i t h8 0 2 15 4 z i g b e ea n de a s yt oc o d e v l m a ci ss i m u l a t e da tt h ee n do ft h i st h e s i s t h r o u 曲p u t ，l a t e n c ya n de n e r g y c o n s u m p t i o na r et h em a i nc o n c e m s t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tv l m a ch a sh i 曲 t h r o u g h p u t ，l o wl a t e n c ya n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n f u r t h e n n o r e ，t h i st h e s i sd e s i g n s a n dr e a l i z e sa n8 0 2 15 4b a s e dm u l t i c h a n n e lm a ci m p l e m e n te x p e r i m e n tf o rm i n e e n v i r o n m e n t c o m p a r e dw i t hs i n g l ec h a i m e lm a c ，w ec a ns e em a tm u l t i c h a n n e l m a cc a ni n c r e a s en e t w o r kt h r o u g h p u tw h e nn e t w o r kp a y l o a di sh e a v y k e yw o r d s ： w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ；m u l t i c h a n n e l ； 8 0 2 15 4 z i g b e e 硕七学位论文 插图索引 图1 1 无线传感器网络结构图2 图2 1 典型的m a c 帧结构图5 图2 28 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议体系图8 图3 1 成簇的网络拓扑示意图1 3 图3 21 跳和2 跳邻簇矩阵表彳1 4 图3 3 小规模网络下信道分配算法伪代码1 5 图3 4 大规模网络下信道分配算法流程图1 6 图3 5 时隙分配表示图1 7 图3 6 簇间通信公共信道链路表示图1 9 图3 7 同一虚拟链路上各簇头时隙分配1 9 图3 8 隐终端示意图一2 0 图3 9v l m a c 中隐终端问题示意图2 l 图4 18 0 2 1 5 4 物理层信道分布2 3 图4 28 0 2 15 4 基本m a c 帧结构2 4 图4 3 无g t s s 的超帧结构2 5 图4 4 带g t s 的超帧结构：2 5 图4 5 带非活跃时期的超帧结构示意图2 6 图4 6 典型的簇头和簇内节点通信活动示意图2 8 图4 7 基于8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的分簇网络结构2 9 图4 8 簇头c a p 时隙分配示意图3 0 图4 9g t s 释放后的重组3 3 图4 1 08 0 2 1 5 4m a c 命令帧格式3 4 图4 1 18 0 2 1 5 4m a c 层参考模型3 4 图4 1 2 簇信息收集命令帧3 8 图4 1 3 信道分配启动命令帧3 9 图4 1 4 信道选择结果命令帧3 9 图4 1 5 信道通知命令帧格式4 0 图4 1 6g t s 属性域格式4 2 图5 1 实验仿真拓扑图4 6 图5 2 仿真结果一吞吐量4 7 图5 3 仿真结果一休眠期比例4 7 v i l 无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究 图5 4 仿真结果一时延4 7 图5 5 网络布置示意图4 9 图5 6 成功传输的数据包个数( 单信道) 图5 7 成功传输的数据包个数( 多信道) 5 ( ) ! ；( ) 图5 8 吞吐量( o 5 s ) 5 l 图5 9 吞吐量( 1 s ) 5 1 图5 1 0 吞吐量( 2 s ) 5 l 图5 1 1 吞吐量( 4 s ) 5l v i i i 硕十学位论文 附表索引 表2 1 几种主流无线协议比较9 表2 2 主流z i g b e e 芯片解决方案比较1 l 表4 18 0 2 1 5 4 物理层频段。2 3 表4 2 原语汇总表3 5 表4 3 命令帧汇总表3 5 表5 1 仿真参数表4 6 表5 2 自主研发无线传感器节点比较4 8 l x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：弘蝮 日期：咖7 年钿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：琴点歧 导师签名：罗娟 日期：幽叩年月日 日期： 。夕年莎月j 日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 众所周知，随着互联网技术的普及，i n t e m e t 对人们的生活方式产生了巨大的 影响，并由此产生了p 2 p ( p e e rt op e e r ) 的深度互连。集成了网络技术、嵌入式 计算技术、微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 及传感器技术 的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 将i n t e m e t 从虚拟世界延伸 到现实物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变人 与自然的交互方式，满足人们对“无所不在 的网络的需求，由此将产生m 2 m ( m a c h i n et om a c h i n e ) 的更深层次的互连，即可将任何机器( 比如所有的家电) 进行互连，从而智能的感测人们身边的物理世界，并指导人们做出相应的反应。 此外，人们可以使用无线传感器网络对自己任何感兴趣的物理世界进行监视，测 量和控制【l 】。这一点有赖于无线传感器网络中大量的低功耗、低速率、低成本、 高密度的微型节点，以及具有自我组织、自我愈合能力的组成网络。 科技发展的脚步越来越快，人类已置身于信息时代。而作为信息获取最重要 和最基本的技术一一传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已 经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展。无线传感器网络是 信息感知和采集的一场革命，将给人类的生活方式带来颠覆性的改变。2 0 0 3 年美 国商业周刊将无线传感器网络列入四大新技术之一，美国技术评论将无 线传感器网络列为未来新兴十大技术之首【2 】。传感器网络涉及多门学科，应用广 泛，能应用于环境监测、医疗护理、智能家居、工业控制、城市管理以及军事等 领域【3 ，4 1 。 1 2 无线传感器网络概述及发展 无线传感器网络是由大量的具有传感、通信和计算能力的微小传感器节点， 以无线的方式连接构成的自治测控网络【5 】。可将其定位为：大规模、无线、自组 织、多跳、无基础设施支持的网络，无线传感器网络中的节点是同构的，成本较 低、体积较小、大部分节点不移动、被随意散布在工作区域。要求网络有尽可能 长的工作时间。一个典型的无线传感器网络的结构包括无线传感节点、汇聚节点 ( s i n k ) 、外围网络( 可包括互联网和卫星、任务管理节点) 【6 ，7 1 ，如图1 1 所示。 无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究 图1 1 无线传感器网络结构图 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，构成无线传感网络的基础支持平 台【8 】。一个典型的节点应该包括如下几个功能模块：传感模块、嵌入式计算模块、 无线通信模块、能量管理模块【9 1 。由于无线传感器网络中节点数目众多，要求节 点成本尽量低，所以普通传感节点的计算、存储和通信能力较低，而作为汇聚节 点，其功能则相对强大。 与常见的无线网络诸如因特网、移动通信网、无线局域网相比，无线传感网 络具有的突出特点有：1 ) 节点数目巨大，可从几十到几万不等。2 ) 网络拓扑变 化大，无线传感网络中节点一般不进行快速移动，但是节点可能随时加入或离开 网络。3 ) 节点采用电池供电，能量有限，通信距离有限，一般为几十米，更远距 离的通信则需要通过多跳路由的方式进行。4 ) 网络以自组织方式构成，无需任何 其他网络设施和配置。网络还具有自动配置和自动维护功能，保证网络的通信质 量【10 1 。 随着无线传感器网络的发展，在研究方面，将致力于网络协议、节能、路由 等方面的研究，近两年，又提出无线多媒体传感网络( w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o r n e t w o r k s ，w m s n ) 和智能无线传感器网络，无线多媒体传感器网络是在传统无线 传感器网络的基础上发展起来的具有音频、视频、图像等多媒体信息感知功能的 新型传感器网络【1 1 1 。商业应用方面，专用于无线传感器网络的芯片将向片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 芯片发展，功耗低、通信距离增强、体积小，易于二次 开发将是其发展趋势，另外，协议栈以及标准的统一将是无线传感器网络软件的 发展趋势【1 2 】。 1 3 选题背景及意义 无线系统的多信道问题已经早在上世纪八十年代就开始研究，特别是当无线 局域网( w l a n ) 迅猛发展后，随着网络中节点的增多，传输数据量的增大，抗 硕上学位论文 干扰、提高网络吞吐量、降低网络传输时延成为人们的研究重点，在无线m e s h 网络和无线局域网中，有很多多信道的信道分配机制和算法，在文献【1 3 】中， 针对8 0 2 1 l 网络，寻求一种信道分配机制，使得形成的逻辑拓扑，在所有的k - 连通拓扑中干扰最小，在文献【1 4 】中，为多射频( m u l t i r a d i o ) 设备无线网络提 出了一种分布式的信道分配机制。 对于无线传感网络，目前大多的研究工作都是基于单信道考虑，但近年来， 无线传感网络的应用越来越广，而且无线传感网络本身的特点是网络节点多，在 实际应用中，不可避免的会出现严重的干扰和冲突问题，其中包括无线传感网络 中自身节点的相互干扰，也有来自其它网络的干扰，如蓝牙、w l a n 【1 5 ，1 6 】。避免 网内的自身干扰可以从很多方面考虑，比如物理层采用直接序列扩频技术 ( d s s s ) 、调整发射功率、网络的分簇管理等，但目前从m a c 层上研究的较少， m a c 层的研究主要集中在多信道的接入控制和信道的分配算法【1 7 l 。避免来自不同 网络的干扰则可以通过信道的选择，功率控制等方面进行。 理论上说，两个不同的传输链路工作在不同的信道( 频段) ，相互之间不会产 生干扰和冲突【l 引，所以，我们可以直接给处于同一时间、同一空间范围的不同传 输赋予不同的传输信道，它们之间就可以安全地完成数据的传输，而不相互干扰。 目前无线传感器网络中多信道问题的研究主要集中在信道的分配机制上，这 些分配机制，可以按如下分类： 1 集中式分配和分布式分配( c e n t r a l i z e da s s i g n m e n ta n da t t m u t e da s s i g n m e n t ) 2 动态分配和静态分配( d y n a m i ca s s i g n m e n ta n ds t a t i ca s s i g n m e n t ) 这两个分类又可以基于以下两个不同的前提： 1 静态网络和动态网络 2 单射频和多射频( s i n g l e r a d i oa n dm u l t i r a d i o ) 无线传感器网络也是一种a d - h o c 网络，但是与传统的无线局域网有较大区别， 主要表现为低速率、低功耗，无线传感器网络中的节点一般都由电池供电，低功 耗是各项设计的首要目标之一【1 9 】，无线局域网中的一些信道分配算法并不适用于 无线传感网络。为此研究并形成了一些应用于无线传感网络中通信协议的多信道 分配机制，如一个分布式的信道分配机制d c a 【2 0 1 、基于能量考虑的多信道m a c 协议c m a c 【2 1 】等，都提出了有效的信道分配算法。 文献【2 2 】实验性的说明了使用相邻信道进行数据传输的链路之间仍然会产 生干扰，并且指出虽然实验是在特定的硬件平台下完成的，但是仍然具有广泛性， 应该为多信道m a c 协议的设计所考虑，这个特性是目前所有的信道分配算法所没 有考虑到的问题。并且，目前国内外大多的研究都假定了节点具有多射频 ( m u l t i r a d i o ) 或相近的条件，目前在传感网络中节点大多不具备这样的条件，不 适合实际的情况。 无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究 最后值得一提的是，目前，在无线传感网络中应用最为广泛的通信协议是 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议，8 0 2 1 5 4 是整个协议体系的物理层和m a c 层部分，在物理 层，此协议支持三个频段共2 7 个信道，但是，在m a c 层，并未很好的支持多信 道方式【2 3 1 ，没有很好的利用多信道资源。 1 4 研究内容 本文主要针对无线传感器网络的特点，+ 研究当前已有的m a c 机制及协议，并 找到一种适用于无线传感网络的多信道m a c 机制。工作主要包括以下几个方面： 1 分析无线网络以及a d - h o c 网络中的信道分配算法，研究无线传感网络中的 信道分配算法以及多信道m a c 机制，提出一种适用于实际网络的单射频、多信道 的m a c 机制。 2 使用簇树结构网络，在基站节点周围虚拟m u l t i r a d i o ，从而使得不同的链 路可以使用不同的信道跟基站进行数据的传输。 3 研究8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议体系，理解物理层和m a c 层的资源和机制。考 虑无线传感器网络的实际情况( 比如节能) ，结合时分复用和频分复用，提出一种 最大化网络性能的多信道算法。 4 研究多信道网络中的“聋子问题 ( d e a f n e s sp r o b l e m ) ，以及时分复用的时 间同步机制，使得提出的算法能克服这两个困难。研究多信道网络中隐终端问题 ( h i d d e n r e n n i n a lp r o b l e m ) 。 1 5 本文结构 全文共分5 章，各章内容安排如下： 第1 章概述无线传感器网络相关技术、选题背景以及本文的主要工作。 第2 章介绍媒质访问控制相关原理和技术，并介绍了几种典型的m a c 协议及 多信道m a c 。分析了8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议体系和相关背景知识。 第3 章提出了一种基于虚拟链路的多信道m a c 机制，即v l m a c ，此机制 基于分簇的网络拓扑，结合了时分复用和频分复用，整个机制包含信道分配、簇 内通信和簇间通信三个部分，对三个部分进行了详细研究和论述，最后分析了 v l m a c 中的隐终端问题。 第4 章在v l m a c 基础上，详细设计了基于8 0 2 1 5 4 z i 曲e e 的多信道m a c 机制，并提供了此机制的原语实现以及部分命令帧。 第5 章使用o m n e t + + 仿真平台对v l m a c 进行了仿真，并对结果进行了分 析，最后给出了基于8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的多信道m a c 的矿井应用实验。 最后总结全文，并对下一步研究工作做出展望。 硕士学位论文 第2 章相关技术概述 媒质访问控制技术是通信协议和通信技术中尤为重要的一部分，由于无线传 感器网络的节点数量多、密度大，数据传输频繁，多信道媒质访问的接入方式将 是无线传感器网络的研究及应用的热点和重点。本章首先介绍了媒质访问控制， 接着分析和比较当前几种典型的m a c 机制，然后分析多信道m a c 技术，最后对 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议体系进行分析，为后续章节的研究奠定了基础。 2 1 多信道媒质访问控制 2 1 1 媒质访问控制 按照网络协议的分层理论，在o s i 参考模型中，媒质访问控制( m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ，m a c ) 为数据链路层的一部分，m a c 与逻辑链路子层共同构成数据链路 层，在数据链路层之上，存在有网络层，传输层和应用层等，而在数据链路层之 下为物理层【2 4 1 。虽然o s i 模型没有真正被使用，但是其分层的基本结构和思想在 各个类型的网络中都有所体现。m a c 作为逻辑链路控制子层及物理层之间沟通的 媒介，使用物理层提供的通信服务，为网络层提供相关的接入服务。其主要作用 有：1 ) m a c 提供一种寻址的方法，称之为实体地址或m a c 地址。在任何网络中， 节点的m a c 地址应是唯一的。2 ) m a c 提供配合特定通道存取( c h a n n e la c c e s s m e t h o d ) 所需要的协议及控制机制。因此连接在同一传输媒体的几个设备可以共 享其媒体资源【2 5 1 。目前，媒质访问控制的形式主要有：时分复用( t d m a ) 、频分 复用( f d m a ) 、波分复用( w d m a ) 、码分多址复用( c d m a ) 等。 在网络协议中，m a c 层封装网络层的协议数据单元( p d u ) ，并加上m a c 的 帧头和帧尾，形成m a c 的协议数据单元并交由物理层处理。一个典型的m a c 帧 结构如图2 1 所示【2 6 1 。 图2 1 典型的m a c 帧结构图 各域设置说明如下： p r e 锄b l e ：前导序列，用于接收端物理层同步位时钟。 s f d ：s t a r to f f r a m ed e l i m i t e r ，起始域，帧分隔符。 d e s t ：目的地址域，表示目的节点地址。 s o u r c e ：源地址域，表示发送节点地址。 l e n g t h ：长度域，用于表示数据域长度( 以字节为单位) 。 无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究 d a t a ：数据域，即网络层协议数据单元。 f c s ：f r 锄ec h e c ks e q u e n c e ，校验域，用于对数据正确性进行校验。 2 1 2 几种典型的m a c 协议 1 令牌环 令牌环( t o k e n r i n g ) 是定义在i e e e8 0 2 5 标准中的一种局域网接入方式。 令牌环网络的基本原理是利用令牌( 代表发讯号的许可) 来避免网络中的冲突， 与使用冲突检测算法c s m a c d 的以太网相比，提高网络的数据传送率。令牌环 也暗示了除了使用令牌外，这还是一个环形的网络拓扑【2 7 1 。 2 a l o h a a l o h a 是一种信道分配m a c 协议，主要用于无线通信系统。分为纯a l o h a 和分槽a l o h a 。纯a l o h a 的基本思想是：用户有帧即可发送，采用冲突监听与 随机重发机制，帧长统一，这是一种基于竞争的系统，当两帧冲突或重叠时则会 被破坏，因此效率不高。分槽a l o h a 采用t d m a 思想，将时间分成离散的间隔， 每个间隔对应一帧，它要求每个用户遵守统一的时槽边界，并使用一个专门的站 点，利用发送定时脉冲信号的方法来同步时间。分槽a l o h a 的吞吐量约为纯 a l o h a 的两倍【2 8 1 。 3 c s m a c d 载波检测多路存取碰撞检测( c a 仃i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n d e t e c t i o n ：c s m a c d ) 是以太网( i e e e8 0 2 3 ) 所采用的m a c 机制。它以a l o h a 思想为基础，也是一种基于竞争的m a c 机制。c s m a c d 在发送数据前，先监听 信道是否空闲，若空闲则立即发送数据，在发送数据的过程中，继续进行监听， 若监听到冲突则立即停止发送数据，等待一段随机时问再重新尝试发送， c s m a c d 较a l o h a 协议具有更高的介质利用率【2 9 1 。 4 c s m a c a ， 载波检测多路存取碰撞避免( c a 玎i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ：c s m c a ) 是无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 ) 所采用的m a c 机制。与 c s m a c d 不同的是，由于是无线信道，不容易侦测是否有碰撞发生，所以采用主 动的碰撞避免机制。c s m a c a 主要采用两种方法来避免碰撞，第一种是，节点在 发送前，监听信道状态，等到空闲时并再维持一段时间后，再等待一段随机的时 间，如果仍然空闲，才发送数据。第二种方法则是通过进行r t s c t s 两次握手来 确保接下来的数据传输不会发生碰撞【3 0 1 。 5 c d m a 码分多址复用( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ：c d m a ) 是一种多路复用的无 线通信技术。与f d m a 及t d m a 不同的是，c d m a 允许所有的站点同时在同一 硕十学位论文 频段上进行传输，这需要对传输的数据增加一个地址码，然后进行扰码处理【3 。 c d m a 技术是一种广泛应用于无线话音和无线数据通信的m a c 技术标准，基于 c d m a 技术的三大3 g 技术标准t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 已经让人们 体检到了高带宽，高性能的无线话音和无线数据通信服务。 2 1 3 多信道m a c 多信道m a c 的基本原理是将频率资源分隔成各个互不重叠的频率段( 每个频 率段可称之为一个信道) ，多信道m a c 机制一般使用一个公共控制信道和n 个数 据信道【3 2 1 。数据通道使得在每个频率段上同时进行数据传输而不产生干扰。多信 道m a c 机制本质上是一种频分复用的信道接入方式。多信道m a c 主要研究和解 决两个问题，信道分配和信道的接入调度。本小节以k a u s h i kr c h o w d h u r y 等人 于2 0 0 6 年提出的c m a c 【2 1 】协议为例分析多信道m a c 机制。 c m a c 是一个多信道的能量有效的协议，且无需时间同步，它充分利用已有 的节点物理层对多信道支持。无需单独的控制信道，在不以公平性和传输时延为 代价的前提下，c m a c 允许节点在接收数据时，仍然可以监听和应答控制消息， 由此解决了无线通信中的聋子问题( d e a f n e s sp r o b l e m ) 。c m a c 假设硬件节点有 两个射频发射器，即一个半双工数据发送和接收发射器( m r ) ，一个低功耗的唤 醒发射器( l r ) ，数据的传输只能通过m r 进行，并且m r 只有在数据接收和发 送时被唤醒，其他时候处于休眠状态。l r 的功能是：1 ) 当有数据需要发送时， 唤醒m r ；2 ) m r 在数据发送之前信道调配( 确定使用哪个信道发送) 。c m a c 在开始工作前，每个节点必须拥有一个在2 跳范围内不重复的信道，为节点的默 认信道。 c m a c 依赖三种类型的控制消息：申请、确认和等待。这三种消息都是短脉 冲消息，通过l r 发送和接收。m r 在空闲时进入休眠状态以节省能量，信道的检 测和协调由l r 完成，一旦协调完成，m r 则进行数据的收发。c m a c 采用双模 式通信体系结构。在l r 信道协调期间，源节点将l r 的信道切换到目的节点的默 认信道，一旦目的节点准备好接收数据，目的节点将m r 的信道切换到源节点的 默认信道。作者将c m a c 与s m a c 【3 3 】进行比较，仿真结果表明比s m a c 节省2 0 0 的能量，极大提高了吞吐量，以及减少5 0 1 5 0 的端到端的时延。 2 28 0 2 15 4 z 适b e e 协议 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议是一种面向低速率、低能耗网络的协议体系，主要 面向无线监控、安全报警、温湿度感测、烟雾感测等应用【3 4 1 ，本节将集中介绍 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 基本概况，并与当前流行无线网络协议进行比较，最后举例说明 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的代码实现。 。 无线传感器网络中多信道m a c 机制的研究 2 2 18 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议体系概况 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议体系是由z i g b e e 联盟定义的一个标准规范，z i g b e e 联盟 成立于2 0 0 1 年8 月，最初成员包括：霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 、i n v e n s y s 、三菱、 摩托罗拉、飞利浦等，目前拥有超过2 0 0 多个会员。z i g b e e l o 规范正式于2 0 0 4 年1 2 月推出，目前最高的版本是2 0 0 7 年1 0 月份发布的z i g b e e 2 0 0 7 ( r 1 7 ) ，z i g b e e 技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸 多有点，目前是被普遍看好的无线个域网解决方案、也被很多人视为无线传感网 络的事实标准【”】。 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议栈架构基于开放系统互联模型七层模型( o s i ) ，以i e e e 8 0 2 1 5 4 所定义的物理层( p h y ) 和媒质访问控制层( m a c ) 为底层基础，并独 立定义了之上的网络层和应用层协议，如图2 2 所示。z i g b e e 所制定的网络层主 要负责网络拓扑的搭建和维护，以及设备寻址、路由等，属于通用的网络层功能 范畴，应用层包括应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b - l a y e r ，a p s ) 、z 远b e e 设 备对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t ，z d o ) 以及设备商自定义的应用组件，负责业务 数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等f