（通信与信息系统专业论文）低功耗无线体域网媒体接入控制协议研究.pdf

摘要 摘要 无线体域网是由以人体周围设备( 随身携带的手表、p d a 和手机等) 以及人体内 部设备等为对象的无线通信网络。无线体域网中每个设备的电池能量十分有限， 因此如何有效地节省设备的能耗成为无线体域网的研究重点。虽然在其它无线网 络中也有能量受限的概念，但是无线体域网特殊的应用场景决定了我们需要对其 重新进行评估和研究。基于这种情况，本文在媒体接入控制层上对低功耗无线体 域网技术和标准进行了研究。 本文首先对短距离通信协议标准进行了研究，并指出基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准 研究无线体域网媒体接入规范的意义。考虑到无线体域网中人体的移动性、业务 的多样性和节点有限的电池寿命等特点，本文提出一种无线体域网中延长网络生 存时间的媒体接入控制方法，该方法可以在不增加额外中继节点的情况下根据应 用场景按需调整网络拓扑结构进而减小能耗。此外，鉴于现有功率控制技术在能 量节省方面的显著效果，本文提出一种基于功率控制的能量高效媒体接入控制方 法，该方法在继承根据应用场景自适应切换网络拓扑优点的同时，将功率控制思 想融入到无线体域网中。分析表明，考虑功控后的媒体接入控制方法具有更高的 吞吐量、更低的时延和更长的网络生存时间。最后，总结了论文并对无线体域网 的发展前景进行了展望。 关键词：无线体域网 i e e e8 0 2 1 5 4媒体接入控制 中继能量效率 a b s t r a c t a b s t r a c t aw i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ( w b a n ) i sac o l l e c t i o no fd e v i c e sl o c a t e do n ，i n o ra r o u n dt h eh u m a nb o d y , s u c ha st h ec a r r i e ds m a r tw a t c h ，c e l lp h o n e sa n di m p l a n t e d m e d i c a ld e v i c e se t c c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n c ea n dc o m f o r t a b l e n e s so ft h ep e r s o n w e a r i n gs e n s o r s ，t h es h a p ea n ds i z eo fe a c hw b a nn o d e ，i n c l u d i n gt h eb a t t e r y , s h o u l db es t r i c t l yr e g u l a t e d i no r d e rt op r o l o n gt h el i f e t i m eo fb a t t e r y , t h ep o w e r c o n s u m p t i o nf o rs i g n a lt r a n s m i s s i o ns h o u l db em i n i m i z e d a l t h o u g ht h e r ea l ea l s o i s s u e so fm i n i m i z i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni no t h e rw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h es p e c i a l s c e n a r i o so fw b a nd e c i d et h a tw en e e dt or e e v a l u a t i o na n dr e r e s e a r c ho ni t ，b a s e o nt h i s ，t h i sa r t i c l ec o n d u c t sar e s e a r c ho nt h el o w - p o w e rm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lf o rw b a n m e a n w h i l e ，t og u a r a n t e et h en o v e l t yo f o u rr e s e a r c h ，w e m a k eas t u d yo ft h es h o r t - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n - r e l a t e ds t a n d a r d sa sw e l l t h et h e s i sf i r s t l yr e v i e w st h em a i nf u n c t i o n so fi e e e8 0 2 15 4 ，i n t r o d u c e st h e l a t e s t p r o g r e s sa b o u ti e e e8 0 2 15 4 ea n di e e e8 0 2 15 6 ，a n dt h e ni n d i c a t e st h e s i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n gt h ew b a nm a cb a s e do ni e e e8 0 2 15 4 w h i l et a k i n gt h e h u m a nm o b i l i t y , h e t e r o g e n e o u st r a f f i ca n dl i m i t e de n e r g yr e s o u r c e si n t oa c c o u n t ，t h i s p a p e rp r o p o s e san e t w o r kl i f e t i m ee x t e n s i o nm a cp r o t o c o lf o rw b a n ，s i m p l i f i e da s n e m a ci nt h ef o l l o w i n g n e m a cc a na d a p t i v e l ys w i t c ht h en e t w o r kt o p o l o g yf o r e n e r g ys a v i n gi nac o s t - e f f e c t i v em a n n e rw i t h o u ti n t r o d u c i n ga d d i t i o n a lr e l a yd e v i c e s w h a t sm o r e ，i nv i e wo fr e m a r k a b l ee f f e c to ft h ep o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi ne n e r g y e f f i c i e n c y , a ne n e r g ye f f i c i e n tm a cp r o t o c o lb a s e do np o w e rc o n t r o l ( h e r e i n a f t e r e e m a c p c ) i sp r o p o s e d e e m a c p cn o to n l ya c h i e v e st h ea d a p t i v e l ya d j u s t m e n t o fn e t w o r kt o p o l o g y , b u ta l s o g u a r a n t e e s t h em i n i m u mc o m m u n i c a t i o n p o w e r b e t w e e ns e n s o rn o d e sa n dw b a nc o o r d i n a t o rb yp o w e rc o n t r o ls c h e m e t h e q u a l i t a t i v ea n a l y s i ss h o w st h a tc o m p a r e dw i t hn e m a c ，e e m a c p ch a sh i g h e r t h r o u g h p u t ，l o w e rm u l t i - h o pd e l a ya n dl o n g e rn e t w o r kl i f e t i m e f i n a l l yt h et h e s i s s u m m a r i z e st h ew h o l ea r t i c l ea n dm a k e sa l le x p e c t a t i o no nt h e d e v e l o p m e n to f w b a n k e y w o r d ：w b a n i e e e8 0 2 1 5 4m a c r e l a ye n e r g ye f f i c i e n c y 第一章绪论 第一章绪论 无线体域网( w i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ，w b a n ) 是一种以人体为中心，由和 人体相关的网络元素( 包括个人终端，分布在人身体上及人体周围一定范围甚至 植入人体内部的传感器、组网设备等) 组成的通信网络。作为一种新的普适医疗 保健、疾病监控和预防的解决方案，无线体域网有着巨大的潜在应用价值，已迅 速成为国内外研究的热点。在本章中，主要阐述本课题的研究背景、研究目标以 及本课题研究对推动无线体域网标准化进程的意义，并对全文的主要研究工作和 章节安排进行了概述。 1 1 1 课题研究背景 1 1 研究背景及意义 无线体域网是一种为方便人体外的无线设备与贴在人体附近或者植入人体内 的无线设备进行通信的新兴无线通信技术，它不仅是一种新的普适医疗保健、疾 病监控和预防的解决方案，还是物联网( i n t e m e to f t h i n g s ) 的重要感知及组成部分。 通过w b a n 可以将人体变为通信网络的一部分，从而使得可穿戴的计算( w e a r a b l e c o m p u t i n g ) 成为现实并成为人们日常生活的基本特征。目前，无线体域网的应用前 景主要集中在医疗领域的人体健康监控和提供可穿戴的多媒体服务。在医疗领域， 目前已有相关产品实现，通过在人体身上放置一些传感器节点，实时收集人体的 健康信息，如血压、脉搏、e c g 、e e g 、葡萄糖浓度和体温等，从而为监护对象 提供实时的健康指导，并且及时将信息反馈到远程的医疗站点( i n 健康护理中心) 。 无线体域网虽然是无线通信技术的进一步发展和延伸，但是由于无线体域网 中的很多设备主要在人体周围或者体表甚至体内工作，所以无线体域网较传统的 无线通信有很多独特的特点： ( 1 ) 无线体域网的传输范围小。定位于时时刻刻、无处不在的传统通信技术的 传输范围最大的特点就是广。相比之下，无线体域网由于人体几何结构的限制， 其主要解决的是人体周围小范围的数据传输。图1 1 为三种典型无线网络的通信范 围【l l 。由此可知，与其他无线网络的网络结构相比，无线体域网的网络拓扑结构和 路由算法相对比较简单，普通传感器节点最多通过三跳路由就可以将采集的数据 传送到汇聚节点。另外，由于人体本身的几何特性，导致传感器节点的能量资源、 计算能力和通信能力都受到限制。 2 低功耗无线体域网媒体接入控制协议研究 图1 1 三种典型网络的通信范围 ( 2 ) 无线体域网传输技术对人体的影响必须被放在很高的位置来考虑【2 】。由于 无线体域网是以人体为中心的网络，因此，无线体域网中的数据传输必须在尽可 能降低对人体危害的前提下进行，这就要求传感器节点的发射功率必须足够低。 另外，各传感器节点或便携式设备放置在人体身上，人仍可以正常活动。w b a n 需要灵活应对网络拓扑结构频率性的改变。 ( 3 ) 无线体域网的业务模式具有多样性。与单一业务模式的无线传感器网络不 同，无线体域网中会有多种业务共存，例如e c g 、e e g 、s p 0 2 等同时存在。不同 业务在实际应用中具有不同的数据速率要求【3 】。数据速率的差异将造成节点对能量 的消耗速度产生巨大的差异，因此，有必要对这些应用进行适当的分类处理。 ( 4 ) 无线体域网的主要应用是医学应用，传输的数据一般都是医疗信息数据， 必须保证高可靠性和低时延，例如，在突发情况和告警环境下，报警信息传输的 往往是生命攸关的信息，要求网络具有快速和可靠的反应能力。 无线体域网其自身的特点和要求，使得已有的应用于其他无线网络中的网络 协议和算法并不能直接适用于无线体域网，必须寻找新的满足无线体域网特征和 需求的网络通信协议。目前对于无线体域网的研究还处于初步阶段，距离迈向成 熟还有一段路要走，它在面临一些自身技术挑战的同时还存在一些不能独立解决 的问题和限制【4 j ，如研究机构的研究成果与医疗单位获取的医疗数据不愿意共享； 再如持续监控的w b a n 应用系统需要处理大量的数据，如何更高效地利用这些海 量数据也是w b a n 面临的一个难题。总之，w b a n 的发展不仅需要研究人员攻克 w b a n 特有的核心技术问题，还需要与其他领域( 如数据挖掘、材料学、生理学甚 至心理学等) 的协同合作。 1 1 2 课题研究目的及意义 作为无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 的一个分支和在生物医 疗等领域内的应用，无线体域网是一种重要的公众应用网络，并日渐成为研究和 应用的热点。首先，现有医疗资源( 预算支出、医生、护士和病床等) 无法满足世界 第一章绪论 老龄化人口的剧增，医疗保健系统的发展成为全球需求。其次，中国作为1 3 3 9 亿 人口的大国，对于能够切实解决广大社区( 特别是相对偏远山区) 看病难、看病贵的 w b a n 技术更是迫切需求。此外，传统的医疗方法多为病发后治疗，不能很好地 做到预防和实时诊疗，而w b a n 则能通过对实时数据进行分析从而对发病进行预 警，或在发病时采取及时的报警，并将发病过程中重要的生理信息保存下来，以 供后续的诊断治疗。因此，无线体域网在今后生活中将起着越来越重要的作用， 研究无线体域网具有深远的意义。 无线体域网中的传感器节点一般采用电池供电，电池能量有限，计算、存储 无线通信的能力也不高，尤其对于植入体内的节点来说，不可能频繁的更换电池， 必须在有限的资源下完成数据采集、处理、传输等工作，因此如何超低功率操作， 高效利用能量来延长传感器节点尤其是植入节点的工作时间，成为无线体域网设 计中的首要目标。在国际重要会议和主要期刊中，节能方面的研究在无线体域网 技术研究中占据了相当大的比例1 5 j 。 目前，无线网络的节能主要采用以下两种方式：一种方式是通过关闭无线网 卡，让节点周期性地进入休眠状态来节省不必要的能量开销；另一种方式是采用 功率控制，通过调整节点的发射功率来降低能耗。功率控制是一种基于反馈的信 息交互方式，即通过收发端之间的信息交互来调整节点的发射功率。相较于第一 种节能措施，功率控制方式不仅可以降低节点能耗，还能提高整个网络的吞吐量， 因此在无线网络的能量有效性研究方面得到广泛的应用。然而，目前可查阅到的 将功控思想引入到无线体域网这一特殊应用场景的研究仅有文献较少，因此，在 保证低开销、低复杂度的前提下，研究如何将现有无线网络中的功率控制思想运 用到无线体域网中是一件非常有价值和意义的事情。 i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了低速无线个域网( l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，l r w p a n ) 的物理层( p h y s i c a ll a y e r , p h y ) 和媒体接入控制( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 层的规范【6 j 。该标准作为现有短距离通信系统的典型代表具有协议 简单且相当接近w b a n 设计要求的优点，因此研究如何在i e e e8 0 2 1 5 4 中自适 应调整节点的传输功率以实现节能并提高数据传输可靠性是非常有理论意义和使 用价值的。本论文以i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层协议为研究对象，通过按需地为正常 通信状态下剩余能量不足的节点寻找并选择合适中继节点的方法来最大化每个节 点的能量利用率，进而延长整个网络的生存时间。 1 2 课题研究现状 随着未来医疗保健和助老助残等社会问题的深远影响，w b a n 的重要性日益 凸显，各大企业和研究机构纷纷投入大量的人力对其进行研究。这些研究包括物 4 低功耗无线体域网媒体接入控制协议研究 理信道、m a c 接入控制、路由协议、数据融合、天线设计以及硬件实现等方面。 其中，法国的l e i t ( l a b o r a t o r yo fe l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s ) 和韩国电 子通信研究院( e t r i ) 分别研究了人体体表和体内通信时的信道模型i 7 】【引；飞利浦公 司对w b a n 的m a c 协议需求进行分析1 9 l ；美国加州大学和伯克利大学等重点对 w b a n 可穿戴、可扩展性和资源优化等进行研究【lo 】；中国香港中文大学等基于多 种通信方式构建混合的b a n ，并对移动b a n 中跟踪和能量感知m a c 进行相关研 究i l l 】【1 2 】；此外，中国台湾1 1 3 】、东南大学1 1 4 1 以及加拿大1 1 5 】【16 1 、比利时和瑞士1 1 8 】 等在w b a n 的自适应性和可调整性、健康及活动监控和网络可靠性等方面进行了 大量的研究工作。 国际标准化方面，为了协调不同国家和地区的研究机构和企业在w b a n 研究 中存在的不可避免的差异性，国际标准化组织i e e e 正在积极推动w b a n 和其相 关技术标准的制定。由于w b a n 被认为是w p a n 的扩展和延伸，因此i e e e 把 w b a n 的标准化工作纳入i e e e8 0 2 1 5 工作组。2 0 0 7 年1 1 月，i e e e8 0 2 1 5 工作 组正式建立了第6 任务组t g 6 ，致力于w b a n 的标准化工作【1 9 】。从此，无线体域 网的很多技术的研究开始朝着统一的概念和标准迈进。 1 3 论文的主要研究工作 ( 1 ) 短距离通信技术领域相关标准的学习和研究 在现有已经公布的国际标准中，i e e e8 0 2 1 5 4 标准因为协议简单并被广泛应 用于现有短距离通信系统中，因此被认为是最接近w b a n 要求的世界标准。基于 这种考虑，首先认真研究了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的m a c 层规范，并阅读了大量关 于i e e e8 0 2 1 5 4m a c 方面的文献；其次，持续跟踪目前正在制定中的i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6m a c 的改进规范i e e e8 0 2 1 5 4 e 及为w b a n 定义的i e e e8 0 2 1 5 6 标准的最新进展。通过这部分研究，一方面，熟练掌握i e e e8 0 2 1 5 4 标准的内容 并把握i e e e8 0 2 1 5 6 标准的国际最新进展；另一方面，通过大量的文献阅读工作， 对当前已有w b a nm a c 的研究工作有了清楚的认识。 ( 2 ) 基于i e e e8 0 2 1 5 4 多跳超帧结构，提出一种无线体域网中延长网络生存时 间的媒体接入控制方法，并做相应仿真。 为了克服当前无线体域网研究内容中缺乏根据应用场景自适应切换拓扑结构 的不足，本文提出一种为剩余能量不足的节点选择合适中继的能量高效m a c 协 议，并做相应的仿真实现，最后将结果与i e e e8 0 2 1 5 4 协议作对比。 ( 3 ) 无线传感器网络功率控制机制和现有功率控制算法的研究 功率控制机制是无线传感器网络面向实际应用的关键技术之一。研究功率控 制的目的是通过采用某种机制或调度策略进行功率控制，从而达到优化网络系统 第一章绪论 性能并最大限度接近系统性能理论上限。现有无线传感器网络的功率控制机制通 常是指对发射功率的控制，即节点选择多大的发射功率级别来发送分组，从而达 到优化网络性能的目的。 ( 4 ) 提出适用于无线体域网的功率控制算法 针对现有延长网络生存时间媒体接入控制协议，寻找中继节点过程能耗过多 的问题，提出算法改进，引入无线传感器网络中的功率控制思想，进一步减少节 点的能量消耗。 ( 5 ) 对论文研究工作做最后的总结，并对未来研究方向提出展望。 1 4 论文的组织结构 第一章，介绍本论文的研究背景及意义以及当前w b a n 的研究现状，并指出 本论文的研究内容。 第二章，介绍i e e e8 0 2 1 5 4 标准，重点描述其m a c 层的结构设计和功能； 与此同时，综述i e e e8 0 2 1 5 4 e 和i e e e8 0 2 1 5 6 标准的最新进展，重点放在与i e e e 8 0 2 1 5 4 标准相比其m a c 层的独特考虑与相应设计；最后指出基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准来研究无线体域网的意义。 第三章，分析目前广泛使用的能量高效w b a nm a c 协议，基于i e e e8 0 2 1 5 4 多跳超帧结构，提出一种无线体域网中延长网络生存时间的媒体接入控制协议， 并通过仿真进行了性能分析。 第四章，分析目前无线传感器网络中常用的功率控制算法，提出基于功率控 制的能量高效媒体接入控制方法，并进行了理论上的性能分析。 第五章，对所做工作进行总结，提出研究的不足之处，并对课题的前景进行 了展望。 6 低功耗无线体域网媒体接入控制协议研究 第二章短距离通信技术研究 7 第二章短距离通信技术研究 为了满足人们工作、生活的个性化需求，i e e e8 0 2 1 5 工作组提出针对短距离 通信的无线个人域网，其主要致力于制定满足不同需求的小范围内的无线通信技 术标准。到目前为止，i e e e8 0 2 1 5 工作组下设7 个任务组，即任务组1 ( t a s kg r o u p 1 ，t g l ) 任务组t g 7 。在本章中，我们仅介绍论文研究相关的两个任务组：制定 i e e e8 0 2 1 5 4 标准1 6 1 的t g 4 和制定i e e e8 0 2 1 5 6 标准的t g 6 t 拶j 。与此同时，作 为对i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6m a c 的改进规范t g 4 e1 2 0 】本文也给予了高度的关注。 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 标准简介 2 0 0 0 年1 2 月，i e e e8 0 2 标准委员会正式批准并成立i e e e8 0 2 1 5 4 任务组， 旨在为低速率、低成本、低功耗的无线个域网提供物理层和媒体接入控制层的规 范。2 0 0 3 年1 0 月，i e e e8 0 2 标准委员会正式通过并公布i e e e8 0 2 1 5 4 标准。2 0 0 6 年9 月，i e e e 标准委员会又推出了i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 的修订版本i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 ，该标准提供了信标使能和非信标使能两种工作方式。由于篇幅有限， 本节仅介绍与论文研究相关的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准支持的两种拓扑结构及信标使能 m a c 部分，其他内容可参考【6 】。 2 1 1 网络拓扑 为了满足不同的应用要求，低速无线个域网可以支持两种拓扑结构：星型拓 8 b ( s t a rt o p o l o g y ) 和对等网拓于b ( p e e r - t o - p e e rt o p o l o g y ) ，如图2 1 所示。 全功能设备 。精简功能设备 通信数据流 图2 1i e e e8 0 2 1 5 4 支持的两种拓扑结构 在星型网络中，普通节点只能和p a n 协调点通信，普通节点彼此之间不能进 行数据传输。p a n 协调点是整个w p a n 的中心控制节点，它除了直接参与应用外， 8 低功耗无线体域网媒体接入控制协议研究 还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。为此，p a n 协 调点一般由电源持续供电，而普通节点则往往是电池供电的。另外，p a n 协调点 必须由全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 来充当，而普通节点既可以由全功能 设备或者是精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 来充当。星型拓扑比较适 合家庭自动化、p c 外围设备及个人医疗监护等“一对多 的应用。 在对等网中，同样只存在一个p a n 协调点，它与星型网络的区别在于该网络 中的所有节点，不管是p a n 协调点还是普通节点，只要在彼此通信范围内都可以 直接进行数据传输。分簇型拓扑结构( c l u s t e rt r e et o p o l o g y ) 是对等网拓扑结构的一种 典型形式。对等网拓扑结构的应用包括工业控制域跟踪、无线传感器网络、财产 跟踪等。 在以上两种拓扑结构中，所有节点都有一个唯一的6 4 位地址，该地址可以用 来和网络中的其它节点直接通信。另外，在节点和p a n 协调点取得关联( a s s o c i a t i o n ) 后，p a n 协调点也可能给它分配一个1 6 位的短地址。 2 1 2i e e e8 0 2 1 5 4 标准m a c 层简介 2 1 2 1 超帧结构 i e e e8 0 2 15 4 标准允许选择性地使用超帧( s u p e r f r a m e ) 结构。超帧格式由协调 点来定义。在超帧结构的模式下，协调点通过周期地发送信标帧( b e a c o n ) 来定义超 帧的边界。如果协调点不需要使用超帧结构，它将停止发送信标帧。信标帧可以 用来同步网络中的设备、标识个域网及描述超帧结构等。为了支持上述两种不同 的拓扑结构，i e e e8 0 2 1 5 4 包含两种超帧结构，分别介绍如下： 星型拓扑下使用的超帧结构 星型拓扑使用的超帧结构如图2 2 所示。超帧通常由激活期( a c t i v e ) 和非激活期 ( i n a c t i v e ) 两部分构成。在激活期，p a n 协调点和普通节点进行业务的交互：在非 激活期中，p a n 协调点和普通节点都转为低功耗模式，不再进行数据的传输。激 活期又被分为1 6 个等长的时隙，信标帧必须在超帧的第一个时隙( 0 时隙) 的起始时 刻发送，紧接其后的是超帧的竞争期( c o n t e n t i o n a c c e s sp e r i o d ，c a p ) ，在没有实时 业务要求的时候，c a p 一直延续到整个激活期的结束。节点在竞争期中的通信采 用时隙载波侦听冲突避免( s l o t t e dc a r r 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 ，s l o t t e dc s m a c a ) 的机制接入信道。当网络中的节点有实时业务需求 时，p a n 协调点将在超帧激活期部分给它们分配不需要竞争就可以直接通信的专 门时隙，这部分时隙称为保证时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) ，它们形成网络的非 竞争期( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) 。非竞争期将紧接竞争期之后，并且一直延续 第二章短距离通信技术研究 9 到激活期结束。在一个超帧中，p a n 协调点最多可以分配7 个保证时隙，每个保 证时隙可能占据一个或者多个超帧时隙。网络中所有基于竞争的业务必须在非竞 争期开始前完成，同理，每个节点必须保证它的g t s 业务要在下一个g t s 业务或 者非竞争期结束之前完成。超帧的结构是由信标级数( b e a c o no r d e r , b o ) 和超帧级 数( s u p e r f r a m eo r d e r , s o ) 来定义的，在信标使能网络中两者之间的关系为 0 t d m a ：提供确定性并提高带宽利用率； c h a n n e lh o p p i n g ：在高干扰环境下提供鲁棒性并提高与其它网络的共存性； g t s ：增加灵活性，比如支持对等节点通信、时隙的长度和数目等； c s m a ：改善吞吐量并减少能耗； s e c u r i t y ：添加额外的选择，比如非对称密钥等； l o w l a t e n c y ：降低端到端的投递时间，这在控制类应用中是必须的。 此外，i e e e8 0 2 1 5 4 e 还在协助t g 4 f ( r f i d ) 和t g 4 9 ( s m a r tu t i l i t yn e t w o r k s s u n ) 进行物理层的修订工作。 目前，i e e e8 0 2 1 5 4 e 下设1 1 个子工作组( s u b t e 锄) 2 1 】，下面仅介绍几个与论 文研究强相关的s u b t e a m ： ( 1 ) d s m e ( d e t e r m i n i s t i ca n ds y n c h r o n o u sm u l t i c h a n n e le x t e n s i o n ) d x 组主要致力 于修订i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6m a c 的信标使能模式。该小组进行的改进工作包括： 在不增加碰撞的情况下提供可扩展机制；通过自适应信道捷变( c h a n n e la g i l i t y ) 和跳 频提高干扰环境中的可靠性；通过增加网络中节点之间的协作性来降低网络中节 点的白干扰。 ( 2 ) t s c h ( t i m es l o t t e dc h a n n e lh o p p i n g ) d x 组是在工商业监测和加工控制应用 要求的驱动下产生的。它不但具有足够的技术保证，即和一些工业无线标准一致， 而且扩展了i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6m a c 的容量。 ( 3 ) l e ( l o we n e r g y ) 小组提出两个低功耗模式：c s l ( c o o r d i n a t e ds a m p l e d l i s t e n i n g ) 和r i t ( r e c e i v e ri n i t i a t e dt r a n s m i s s i o n ) 。为了最大限度地减少损耗，l e 小 组对c s l 和r i t 进行了合并，形成了一个c o o pm a c 。 ( 4 ) l l ( l o wl m e n c y ) d , 组的主要解决无线工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n ，f a ) 应用中的高决策性和低时延传输的问题。 第二章短距离通信技术研究 1 5 2 2 2i e e e8 0 2 1 5 4 e 提案 在【2 0 】中列出了2 5 个i e e e8 0 2 15 4 e 的最终提案( f i n a lp r o p o s a l s ) ，本文从i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6m a c 的超帧结构角度出发对其进行归纳总结。 2 2 2 1 超帧c a p 的改进提案 ( 1 ) 问题描述：当前i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 中的c a p 方案仅在网络负荷较轻的情 况下工作良好；限制退避的次数会导致节点很容易超过允许的最大尝试次数；网 络负荷重时，缺乏网络吞吐量和有效性两者的均衡。 期望目标：改善i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 中的c a p 方案，优化网络吞吐量。 采用方法：分布式竞争接入机制( d i s t r i b u t e dc a p ) 2 2 j ，如图2 1 l 所示。 图2 1 1c a p 优化模型 ( 2 ) 问题描述：i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 超帧中g t s 使用的条件是节点必须先在 c a p 中向协调点发送g t s 请求，而如果g t s 请求跟普通的数据帧竞争，那么它 的优势( 无碰撞地传输，低时延) 将会减弱，如图2 1 2 所示。 图2 1 2i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 中g t s 请求 解决方案：c a p 分为两部分，一部分用于普通帧的竞争，另一部分专门用做 g t s 请求的c a p ，从而增加g t s 竞争成功的概率【2 3 】，如图2 1 3 所示。 1 6 低功耗无线体域网媒体接入控制协议研究 c , e n a r a lc a pg t s c a p c 什l n a c t i r e 图2 1 3 改善c a p 中g t s 请求竞争的方案 2 2 2 。2 超帧c f p 的改进提案 ( 1 ) 问题描述：i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 超帧中g t s 时隙中数据的传输方向是单向 的。如图2 1 4 所示，i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6b e a c o n 帧中的方向域用1 个比特位表示 g t s 的方向，0 表示仅用于传输，l 表示仅接收。 g t sd i r e c t i o n sm a s kr e s e r v e d 图2 1 4i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6b e a c o n 帧中g t s 的方向域 解决方案：在一些情况下，让g t s 方向具有自适应性【2 3 1 。 ( 2 ) i 口- j 题描述：i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 超帧无法实现对等节点直接通信，如图2 1 5 所示。 ，4 , - - - - ) 图2 1 5i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 中对等节点通信方式 解决方案l ：适当的时候，在超帧的非激活期，由节点自身或者p a n 协调点 主动触发来建立对等节点间的暂时通信【2 3 】。 解决方案2 ：采用多信道机制【2 4 1 ，如图2 1 6 所示。协调点与普通节点之间的 数据在公共信道( p u b l i cc h a n n e l ) 上传输；协调点在p u b l i cc h a n n e l 给对等节点在不同 的信道，称为c a n d i d a t ec h a n n e l ，上分配g t s 时隙；2 4 g h z 带宽上c a n d i d a t ec h a n n e l 最多有1 5 个。 第二章短距离通信技术研究 1 7 b 品_ 一 p a nc o o r d i n a t o r ( p c ) 一 。g t s p 2 c i n a c t i v e ch 形黝 c h夔 ) p 2 p g t s c h ， l c h 。心湫 图2 1 6 多信道机制实现c f p 中对等节点传输 解决方案3 ：在超帧c a p 中使用e g t s 三次握手机制，分布式地g t s 请求分 配方式1 2 5 1 ，如图2 1 7 所示： 图2 1 7e g t s 三次握手机制 ( 3 ) 问题描述：i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 超帧中一个c f p 时隙仅用于一个节点与协 调点之间传输，时隙浪费很严重，如图2 1 8 所示。 图2 1 8i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 中c f p 时隙浪费举例 1 8 低功耗无线体域网媒体接入控制协议研究 解决方案1 ：c f p 时隙中不用的时间允许其他节点使用改进的c s m a c a ( 执行 三次c c a ) 传输分组【2 6 1 ，即： 如果节点是在自己的g t s 时隙中，则它直接进行传输。反之，在其它节点 的g t s s 中时，它将等待a c k 帧，并使用改进的c s m a c a ( 执行三次c c a ) 去竞争信道。 节点在自己的c f p 时隙中，如果需要传输多个分组，则其下一个分组将在 收到前一个a c k 后立即传输。 如果节点在分配给它的c f p 时隙中没有任何需要传输的分组，则它将发送 一个短的p r o b e 帧，占用该时隙的节点将会给它回复一个a c k 。 解决方案2 ：允许多个节点共享一个g t s ，形成e g t s ( e x t e n d e d g t s ) 结构【2 7 】， 如图2 1 9 所示。 d e v i c eaa n dbs h a r eo b eg t s 图2 1 9 e - g t s 结构图 2 2 2 3 整个超帧改进的提案 ( 1 ) 基于i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 星型拓扑超帧的提案 改进的目的：满足工业应用的要求：低时延、高可靠性及业务的优先级。 具体方案l ：占用部分超帧的非激活期来构成超帧扩展部分( s u p e r f r a m e e x t e n s i o nd u r a t i o n ，s f e d ) 1 2 8 1 ，如图2 2 0 所示。其中s f e d 中将c f p 之后提供g t s 时隙的好处是：在c a p 中可以重传失败的g t s 帧，以提高噪声信道中的可靠性和 减少时延。 b e a g o n _ - 一c a p +c f p l 一e c f p + - e c a p _ i n a c t i v e i 一 s f e d- 图2 2 0 扩展超帧示意图 具体方案2 ：修改i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 超帧的c a p 和c f p 两部分【2 9 1 ，如图2 2 l 所示。其中，c a p 中使用考虑优先级的c s m a c a 机制；p - g t s 用于无碰撞地传 输周期性的数据；t - g t s 用于传输临时周期数据( t e m p o 唧p e r i o d i c a ld a 啪或者非周 期的紧急数据。 第二章短距离通信技术研究 1 9 b e a t o n 图2 2 1 划分g t s 的超帧结构图 ( 2 ) 关于i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 多跳超帧的提案 问题描述：i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 提出的支持多跳的超帧具有以下三个问题： 由于b o s o ，至少有一半的信标间隔处于休眠状态，因此使用原始的超 帧进行数据传输会导致吞吐量极低； 多跳传输存在的典型时延问题； 信标帧调度描述不具体带来的碰撞问题。 解决方案： 问题l 的解决方案：将i e e e8 0 2 1 5 4 中规定的“一个p a n 中不同超帧具 有相同的b o 和s o 修改为“一个p a n 中不同超帧具有相同的b o ”，s o 不做要 求，这样可以在黝n 协调点超帧非激活期中容纳更多的o s d ( o u t g o i n gs u p e r f r a m e d u r a t i o n ) 1 3 0 ； 问题2 的解决方案：将超帧持续时问按照时隙来调度，创建一个共享超帧 持续时间( s h a r e ds u p e r f r a m ed u r a t i o n ，s s d ) ，即多跳网络中每个节点共享其邻居节 点的超帧激活期，并在该邻节点超帧激活期内保持唤醒1 3 0 】；此外，还可通过多信 道解决时延问题1 2 5 】； 问题3 的解决方案：将普通协调点发送的b e a c o n 信息加入到协调点发送的 b e a c o n 中去，并给出b e a c o ns c h e d u l i n g 步骤1 3 0 1 ： 如果节点不能扫描到其他的b e a c o n s ，它可以在非激活期发送自己的调度 b e a c o n ； 如果节点扫描到其他节点的b e a c o n s ，它将获得这些发送者的s f 信息，它 发送的信标帧要保证跟其他的s f 不重叠； 如果节点需要发送信标帧，而它又无法确定何时发送b e a c o n 才能避免与其 他节点碰撞，它将执行信道跳频并重复上述步骤。 ( 3 ) 为了更好地支持工业市场要求的提案1 3 l j 工业市场的m a c 要求：高决策性，高可靠性，低时延( 传感器发送数据的 时间1 0 m s ，且往返时延要小) ，每个网关节点下面有多个传感器节点。 工业市场的网络拓扑结构如图2 2 2 所示。由图可知，f a 使用的是星型拓 扑，其中的d e v i c e 包含s e n s o r s ( 数据传输方向为：s e n s o r s - - * g a t