（通信与信息系统专业论文）ieee802154时隙csmaca算法性能研究.pdf

摘要 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 ) 和传统网络相比具有自身的 特殊性，使得传统的网络协议并不适用于无线传感器网络。而基于个域网( p e r s o n a l a r e an e t w o r k ，p a n ) 提出的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议相比起传统的网络协议，具有更为 简洁的体系结构，并且是为结构简单、低成本和低能耗的网络而设计的，因此更 适合应用到无线传感器网络中。 不同环境下网络对数据吞吐量和网络时延的要求不同。因此，在i e e e 8 0 2 1 5 4 媒体访问控$ 1 j ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层时隙c s m a c a 算法中，对于不 同的网络环境，信道空评定( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) 次数、b e 、b o 和 s o 这些参数的设定都会随之不同。本论文通过o p n e t 对时隙c s m a c a 算法进 行仿真后，分析了这些参数不同的取值对网络性能的影响。 本文在采用离散马尔可夫链模型研究时隙c s m c a 算法时，考虑了延迟传 输、碰撞数据包的重传上限和a c k 应答帧这三个因素，改进了离散马尔可夫链 模型。结合节点的休眠活跃状态进行数学分析，并通过仿真实验研究了这三个因 素在不同网络条件下对于网络性能的改善程度。 关键词：无线传感器网络m a c 层协议i e e e 8 0 2 1 5 4 时隙c s m a c a 算法 a b s t r a c t t h e r ea r ed i f f e r e n tp a r t i c u l a r i t i e sb e t w e e nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dt h e t r a d i t i o n a ln e t w o r k , s op r o t o c o l sf o rt h et r a d i t i o n a ln e t w o r ka r en o ts u i t a b l ef o rt h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k l ei e e e 8 0 2 15 4p r o t o c o lb a s e do nt h ep e r s o n a la r e a n e t w o r kw i t has i m p l e ra r c h i t e c t u r ec o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ln e t w o r kp r o t o c o l si s d e s i g n e df o ran e t w o r kw i t has i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， s oi ti sm o r es u i t a b l ef o rt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k d a t at h r o u g h p u ti sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sa n dn e t w o r k sa n dt h e r e q u i r e m e n to fn e t w o r kl a t e n c ya l s oc h a n g e s t h e r e f o r et h es e r i n go fp a r a m e t e r s w h i c ha r ec l e a rc h a n n e la s s e s s m e n td e t e c t i o nf r e q u e n c y ，b e ，b o ，a n ds oi sd i f f e r e n t i ns l o t t e dc s m a c aa l g o r i t h mo fi e e e 8 0 2 15 4m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r v a l u e so ft h e s ep a r a m e t e r sf o rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sa les t u d i e d b yu s i n go p n e t t o p e r f o r m a n c et h es i m u l a t i o no fs l o t t e dc s m a ，c aa l g o r i t h mt oa n a l y z et h ec h a n g eo f p e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r kw i md i f f e r e n tv a l u e so ft h e s ep a r a m e t e r si nt h i st h e s i s w 1 1 i l eu s i n gd i s c r e t em a r k o vc h a i nm o d e li nt h i st h e s i st o a n a l y z es l o t t e d c s m a c aa l g o r i t h mt h r e ef a c t o r sw h i c ha r ed e l a y e dt r a n s m i s s i o n ，r e t r a n s m i s s i o n a f t e rc o l l i s i o na n dt h ea c k r e s p o n s ef r a m ea r ec o n s i d e r e dt oi m p r o v et h ed i s c r e t e m a r k o vc h a i n t h em a t h e m a t i c a la n a l y s i si sb u i l to nt h en o d e ss l e e p a c t i v es t a t u s a n d i ti su s e dt os t u d yt h el e v e lo ft h ei m p r o v e m e n tb r o u g h tb yt h e s et h r e ef a c t o r sf o rt h e n e t w o r kp e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n tn e t w o r kc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km a cl a y e rp r o t o c o li e e e 8 0 2 1 5 4 s l o t t e dc s m a c a a l g o r i t h m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：袭疑 日期： 群拌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期： 日期：纠望：主：2 q 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线传感器网络研究背景 传感器网络被认为是当今最重要的技术之一，而无线传感器网络更是现今国 内外研究的焦点，很多研究机构都开展了相关的研究。无论是在民用还是军用领 域，无线传感器网络都具有广阔的应用前景。在民用领域，无线传感器网络可在 空间探索、卫生保健、环境监侧、公共安全和其它商业用途上得到广泛应用。在 军事领域，因为无线传感器网络的存在，指挥中心可以实时掌握战场上的动态。 据专家分析指出，对人类未来生活产生重大影响的十大新兴技术中，无线传感器 网络排名第一。因此，我们可以预见在不远的将来，传感器网络必将引发一轮新 的科技革命。 无线传感器网络结合了分布式低功耗信息处理技术、微智能传感器技术、嵌 入式计算技术、弱能源依赖技术和无线通信技术，是一种新型的信息获取和处理 技术。传感器网络有诸多优点：节点的微型化具有隐蔽性；相邻节点间的距离非 常短，避免了长距离无线通信易受外界噪声干扰的影响，同时可以使传感器在较 低的能量级别上工作；信息融合与数据挖掘技术的应用使传感器网络数据传输与 发布具有实时性。它能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境 或监测对象的信息，并对这些信息并行处理，获得详尽而准确的信息，传送给需 要这些信息的用户。因为可以如同尘埃悬浮在空中，可有效地避免障碍物的遮挡， 因此可以采用红外光作为通信介质构成一种网络应用系统。 图1 1 描述了无线传感器网络节点的组成。传感器网络的三个基本因素是传 感器节点、观察者和感知对象。网络中每个节点具备动态搜索、定位和恢复连接 的能力，并且部分或全部节点可以移动，每个节点都可以担当路由器的角色。传 感器网络的基本功能和重要特点是一簇功能有限的传感器节点协作地完成感知、 采集、处理、传输感知信息。目前主张大量采用商业通用标准的、开放成熟的商 用仪器技术来实现无线节点的基线原型。传感器节点由微型电源、感知部件、嵌 入式处理器、存储器、通信部件和软件( 包括嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统 等) 这几部分构成。无线传感器网络典型的体系结构如图1 2 所示。通常无线传感 器节点被分布到所需监控的区域，这些节点根据内部协议快速地自组网，该自组 网内有一个网关节点，终端节点的传感数据经过多跳路由到达网关节点，由网关 节点通过卫星、因特网等传送方式将传感数据转发到远端的监控中心。无线传感 器组成的白组织网络是一种特殊的无线通信网络，具有快速组网、休眠节能、抗 毁性强等特点，它不需要固定网络的支持。 图1 1 无线传感器网络节点的组成 图1 2 无线传感器网络体系结构 随着电子技术和无线通信技术的进步，目前传感器网络的应用范围也越来越 广，覆盖了医药、军用、家用等应用领域，已经研制出低能耗和多功能的传感器 节点，这些节点的尺寸很小，可以适应短距离的通信。尽管自组织网络在算法应 用上已经相当的成熟，但是仍然不能适应传感器节点组成的自组织网络，同时目 前对于传感器网络的研究基本上都集中在自组织网络中，其主要原因有： ( 1 ) 传感器节点可能没有一个统一的标识符，因为网络中的节点个数太多。 ( 2 ) 传感器节点在能量、计算能量和内存容量是受限的。 ( 3 ) 传感器节点很容易由于各种原因而失效，比如电源耗尽、电子故障等。 ( 4 ) 传感器节点主要采用广播通信，而自组织节点主要采用点对点通信。 ( 5 ) 传感器节点的拓扑会频繁的变化。 ( 6 ) 传感器节点的节点密度可能相当大，传感器网络中的节点个数可能会比自 组织网络高几个数量级。 1 2 课题研究现状 在目前所建立的数学模型中，针对网络流量，节点休眠和碰撞数据包重传次 数上限的考虑有不足的地方。j z h e n g 等人提出的马尔可夫链模型虽然基于 i e e e 8 0 2 15 4 【l 】，但是其中的各个状态值都是参照i e e e 8 0 2 1 1 的模型来设定的( 比 如一个节点在某个竞争时段接入信道的概率) 【2 】，而由于在i e e e 8 0 2 1 5 4 中节点 接入信道前要进行两次c c a 检测，这和i e e e 8 0 2 11 不一样，所以这样设定的模 型是不准确的。p a r k 等学者认为马尔可夫链模型假定网络流量是饱和的【3 】【4 】【5 】【6 j ， 即网络流量不是以突发数据为主，并且忽略了超帧结构中的休眠时段( 非活跃时 段) 。而在实际中w s n 大多数情况下传输的都是突发数据，并且出于节能的考 虑，超帧结构中引入了非活跃时段的概念。为了能准确分析i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 层协议，所建立的模型应包含非饱和信道和非活跃周期这两个要素。虽然存在考 虑了非饱和信道和非活跃周期，以及应答重传机制的模型，但对于重传次数的影 响并没有做出分析1 7 j 。 m i s i c 等人提出一个模型，在非饱和上下行链路的条件下去计算i e e e 8 0 2 1 5 4 协议下无线传感器网络的吞吐量，但是其仿真结果和理论分析不符i s 】。 i r a m a c h a n d r a n 提出了一个简化的马尔可夫链模型，在这个模型中用几何分布去 近似均匀分布的退避计数值，但近似后的结果和理论也有较大出入【9 】。 对于每一个节点来说，在超帧的竞争时段，如果有数据要发送，则在该时段 竞争信道。当计数器的值变为零时，如果执行两次c c a 和发送数据的时间大于 剩余c a p 时段的时长，则需要推迟到下一个超帧发送。这个时候，节点应进入休 眠状态，直到下一超帧开始，这样可以避免不必要的能量耗损。当数据包发生碰 撞时，会导致传感器节点能量极大地耗损，是能量耗损的重要因素。因此，对于 发生碰撞的数据包重传次数的设定应慎重考虑。如果对于碰撞的数据包置之不理， 会极大降低信息传输的准确性，因为在传感器的无线网络环境中，碰撞概率是非 常大的。并且由于碰撞节点同时进入退避状态后，如果退避相同的时隙后再次竞 争信道，碰撞会再次发生，因此不同节点c c a 检测的概率不是独立的。 采用离散马尔可夫链模型对时隙c s m c a 算法进行研究是当前主流方法之 一，但是在目前建立的模型中，没有综合考虑延迟传输，碰撞数据包的重传上限 和a c k 应答帧这三点因素，而这三点因素对于网络性能有重要影响，所以在采 用离散马尔可夫链模型对时隙c s m a c a 算法进行研究时，应结合这三点因素作 出改进。 1 3 课题研究的目的和意义 在采用离散马尔可夫链模型对时隙c s m a c a 算法进行研究时，不同网络环 境下算法中重要参数的取值是需要仔细研究的问题，没有一组参数能满足所有的 网络环境。在此基础上，还需要对现有的离散马尔可夫链模型进行分析和改进， 使得模型反映的网络具有更低的丢包率和更高的吞吐量。 在无线传感器网络中，由于数据的到来具有突发性的特点，并且采用时隙 c s m a c a 算法的m a c 协议属于竞争性质的协议，因此信道的有效利用在很大 程度上决定了整个网络的性能。此外，由于节点的电能有限，频繁地发生数据帧 的碰撞会迅速消耗节点有限的能量，因此减少数据帧的碰撞是减少节点能耗的有 效途径。 1 4 论文主要工作及章节安排 本论文来源于传感器网络关键技术研究项目，通过对时隙c s m a c a 算法的 关键参数取值的调整，采用仿真分析这些关键参数不同的取值对网络整体性能的 影响。并在现有的m a c 层数学建模的基础上，综合考虑延迟传输，碰撞数据包 的重传上限和a c k 应答帧这三个因素，结合节点的休眠活跃状态对离散马尔可 夫链模型进行改进。 在时隙c s m a c a 退避算法中，一些关键参数的取值只给出范围而非定值， 但是这些关键参数的确切取值对系统性能有很大的影响，本文针对这些关键参数 通过建模进行仿真试验，研究在不同网络条件下这些参数的赋值对于网络性能的 影响。 现有的基于时隙c s m a c a 算法的离散马尔可夫链模型中，对于节点的数据 帧延迟至下一帧传输、数据帧碰撞后的重传上限和a c k 应答帧这三个因素有的 模型没有考虑，有的模型只考虑了其中的一点或是没有结合节点的休眠活跃状态 进行考虑。本文将在结合节点的休眠活跃状态的基础上研究这三个因素对网络性 能的改进程度。 本文章节安排如下： 第一章绪论，简要介绍了无线传感器网络，在给出课题研究现状的基础上阐 述了当前存在的问题，并给出本文的主要工作内容概述及论文的章节安排。 第二章无线传感器网络m a c 层协议综述，在简要说明w s n 的m a c 层功能 的基础上，介绍了m a c 层协议的分类，最后简述了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的 c s 删c a 算法。 第一章绪论 5 第三章时隙c s m a c a 算法参数研究，建立一个星形拓扑网络，使用仿真软 件o p n e t 对时隙c s m a l ，c a 算法中的重要参数进行仿真研究，分析了这些参数 在不同情况下取不同的值对系统吞吐量和传输时延的影响。 第四章离散马尔可夫链模型的分析与改进，结合节点的休眠活跃状态，综合 考虑延迟传输，碰撞数据包的重传上限和a c k 应答帧这三个因素对离散马尔可 夫链模型进行改进，并通过仿真分析这三个因素对网络性能的改善程度。 第五章结束语，对全文进行归纳总结，并明确下一步的工作方向。 第二章无线传感器网络m a c 层协议综述 第二章无线传感器网络m a c 层协议综述 2 1m a c 层的作用和设计目标 2 1 1m a c 层的作用 媒体访问控$ 1 ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层，处于无线传感器网络协议 物理层的上一层，主要用于解决传感器节点信道的接入问题，对传感器网络的整 体性能有重要影响，能保证无线传感器网络高效、正确地通信。能耗问题是无线 传感器网络面临的一个重要问题，无线传感器网络中造成能量浪费的主要因素有 以下几个方面： ( 1 ) 空闲侦听：网络中的节点，为了保证能及时收到其它节点发送过来的数据， 将其无线收发模块一直设置为接收模式，但由于无线传感器网络中数据包 到达率具有突发性的特点，节点大部分时间都处于空闲侦听上，而节点处 于接收模式时消耗的能量，比其处于休眠模式时要大几个数量级，因此能 量大部分浪费在空闲侦听上。 ( 2 ) 数据包碰撞：当两个节点传送数据包的时间相同时，会发生冲突，导致两 个数据包损坏。这时节点消耗在发送和接收数据上的能量被浪费掉了，并 且需要重传发送的数据帧，从而消耗节点更多的能量。 ( 3 ) 发送失败：在目的节点没有准备好接收数据包时，发送节点发送了数据包， 造成能量的浪费。 ( 4 ) 控制报文长度：m a c 协议定义的头字段和控制消息包中没有包含有效的 数据，因此可认为是一种冗余消耗，为了提高能量的利用率应该尽可能减 少控制报文开销。 ( 5 ) 窃听：由于无线信道的特点，一个节点可能会误听到发送给其它节点的数 据包，这时节点消耗在接收数据上的能量是无意义的。因此为了节约能量， 这时应使节点进入休眠状态。 2 1 2m a c 协议的设计目标 传感器节点在局部范围需要m a c 协议完成多点的无线信道分配，在整个网 络范围内需要路由协议选择通信路径。每一个传感器节点的电池能量、计算和通 信、带宽存储等资源有限，单个节点的功能不多，而传感器网络的整体功能是由 众多节点共同实现的。因此在设计无线传感器网络的m a c 协议时，需要着重考 r i e e e 8 0 2 1 5 4 时隙c s m a c a 算法性能研究 虑以下几个方面： ( 1 ) 节省能量：传感器网络的节点一般是以干电池等一次性电池提供能量，并 且由于节点地理位置，数量等原因，电池能量通常难以进行补充，为了保 证传感器网络长时间的有效工作。m a c 协议在满足基本要求的前提下， 应尽量做到节省所用能量。 ( 2 ) 可扩展性：由于传感器节点数目、节点分布拓扑等在传感器网络使用过程 中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无 线传感器网络的拓扑结构应该具有动态性。m a c 协议也应具有可扩展性， 以解决新的节点加入后网络拓扑的更新问题。 ( 3 ) 网络效率：网络效率是指网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利 用率等。m a c 协议在设计时应兼顾考虑网络效率所包含的内容。 在无线传感器网络中，无论何种应用，无线传感器网络节点一般都应具有短 距离通信、低速率、低成本、低功耗、小体积的特点。这些特点也就决定了其成 本低的优点和结构简单、容量小和处理能力低的缺点，因此所有上层协议及应用 软件都应以尽可能少的内存容量和尽可能简单的处理方式完成传输任务。应用场 所的不同对传感器节点的要求也不尽相同：在环境检测及农业生产中，可能需要 在大面积区域内部署数量巨大的节点，其功耗、成本、抗毁性等就成为首要考虑 因素。在智能家居的监控中，其体积、电磁抗干扰性等因素就显得较为主要，而 成本、功耗成为次要因素。 2 2m a c 层协议分类 已有的m a c 层协议按对信道的访问机制可分为固定分配型、基于竞争型和 两者混合型，下面介绍几种典型的m a c 层协议。 2 2 1 固定分配型m a c 层协议 ( 1 ) s m a c s 协议和e a r 算法 s m a c s 协议是分布式的协议，将邻居发现阶段和连接建立阶段融合在一起， 链路由一对固定的收发时隙和随机选择的频率组成，节点在未建立连接的时隙关 闭无线收发装置来达到节能的目的。根据本地信息就能发现相邻节点并建立传输 接收调度表。虽然各子网内邻节点通信需要时间同步，但全网并不需要同步。 节点开启后立即进入邻居发现阶段，即启动侦听时间，在一个固定的频带上 侦听信道随机长的时间，如在启动侦听时间结束后未收到来自其它节点的邀请信 息就广播邀请数据包，接收节点返回应答包，源节点根据应答包到来的次序或接 收信号的强度等选择其一作为本次连接建立的对象。源和选中节点协商选择一个 空闲频率和帧内一对空闲时隙来建立连接。节点反复进入邻居发现阶段，直到网 络中所有相邻节点都建立连接。 e a r 算法只适用于那些整体上保持静止，且个别移动节点周围有多个静止节 点的网络。e a r 算法用来为静止和移动的节点提供不问断的服务，让移动节点负 责连接的建立和释放。 s m a c s 协议的缺点是节点在建立连接的接收时隙必须进入接收状态，而大部 分时间邻节点都无数据发送，这样造成很大的空闲侦听能量浪费。另外，当节点 密度非常大时，频率池的频率可能使用完，而导致相邻节点无法建立新的连接。 ( 2 ) t d m a f d m a 混合协议 t d m a 和f d m a 可以交互使用形成一个新协议，从无线信道能量数学模型着 手寻求最佳的信道数以最小化功率消耗，最后得出最佳信道数与接收机和发送机 的功率消耗比例的平方根成正比。t d m a 分离临近节点的发送时隙，避免发送冲 突，f d m a 提供的多信道，使多个节点之间可以同时通信，可以根据应用和实际 功耗来决定最佳的信道数量。 该方法的缺点是由于预先定义的信道和时隙的分配，因此限制了对空闲时隙 的高效使用，使得在业务量较小时信道利用率较低，并且该方案的实现需要在网 络中对能耗和计算能力要求较低的基站进行整体控制，对节点要求也很高。 ( 3 ) d e m a c 协议 d e m a c 用选举包和无线收发装置的能量状态包来交换能量信息，节点由能 量信息来决定占有传输时隙的数量。各节点为每个相邻节点维持一个表明其无线 收发装置能量状态的变量，此信息用来设定其接收器接收邻居的包。d e m a c 是 基于t d m a 的协议，中心内容是让节点交换能级信息，节点根据此信息决定自己 使用一个或者两个发送时隙来达到能耗均衡。当某个节点比原来的能量值低时， 它进入选举阶段。处于选举阶段的节点向所有相邻节点发送它的当前能量值，并 收集它们的投票。如果邻节点的能值都比此节点高，它将收到所有邻节点的正选 票，此节点接入信道，可以发送数据，也可以进入休眠状态。 它执行一个本地选举程序来选择能量最低的节点，比其邻节点具有更多的睡 眠时间，以此平衡节点间的能耗，延长网络的生命周期。且这个选举程序与t d m a 时隙分配集成到一起，从而不影响系统的吞吐量。 该协议的缺点是传感器节点在其邻节点占有的时隙里必须保持侦听，随时接 收来自邻节点的数据帧，因此会造成空闲侦听能量耗损。传感器节点只能在自己 所占有的时隙里无数据帧要传输时才能进入休眠状态。 ( 4 ) d m a c 协议 根据数据收集阶段数据从多源向s i n k 节点逐步聚集形成数据汇集树的特点， 有学者提出一种低延时的基于数据汇集的d m a c 协议，使树中从源到s i n k 节点 的链路上的节点依次轮流进行接收和发送。图2 1 为树中一条链中的节点传输信 道分配，数据包在转发过程中可连续转发，极大地避免由周期睡眠带来的睡眠延 时。节点将工作状态分成发送和接收两部分，接收状态从子节点接收数据包，发 送状态向父节点转发数据包，发送状态对应于父节点的接收状态，而接收状态对 应于子节点的发送状态。 田匝。 田田n 叵匡厂面f 广f = = 广f = = f = = 广丫 i 坠i 三兰il 坠i ! i u 图2 1 节点传输信道分配 d m a c 的缺点：节点每个工作周期只能转发一个数据包，节点为每个数据包 启动一次，造成很大的启动能量损耗。而且没有考虑树中同深度节点的冲突问题， 当有多个冲突范围内的同深度节点同时发送时会造成严重的节点冲突。 2 2 。2 基于竞争型m a c 层协议 基于竞争型m a c 协议一般采用广播式信道，接入到这条信道上的节点都可 以向信道发送广播信息。想要通信的节点通过某种机制竞争信道，得到使用权的 节点可以接入信道发送信息。典型的基于竞争的m a c 协议包括载波侦听c s m a 协议等，下面介绍几种常用的基于竞争类的m a c 协议。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 1 ； i e e e 8 0 2 1lm a c 协议是i e e e 为无线局域网制定的一种无线网络环境下的 m a c 协议，它是一种使用c s m c a 技术，基于竞争的m a c 协议。i e e e 8 0 2 1 l m a c 层有点协调( p c f ) 和分布式协调( d c f ) 两种控制方式，其中点协调( p c f ) 方式 中，节点分为从节点和中心节点两类，从节点之间不能相互通信，只能和中心节 点通信，中心节点负责整个网络的协调。而d c f 方式是i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议基 本的访问方式。在d c f 模式下，节点实时侦听信道，采用c s m a c a 机制和随机 退避窗口，实现对无线信道的接入。为了减少数据帧碰撞的概率，节点使用虚拟 载波侦听和物理载波侦听两种机制来确定信道的状态。虚拟载波监听的概念，就 是有数据要发送的节点在发送数据帧之前，先发送请求帧r t s ，目的节点收到r t s 帧后发送清除帧c t s 进行应答，然后才开始数据帧的传输。其它节点等待的时间 由包含在r t s 和c t s 帧中的网络分配矢量n a v 来决定。其它节点侦听到r t s 或者c t s 帧后就不再发送数据，直到本次数据交换完成。 ( 2 ) s - m a c 协议 因为i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议并不是针对传感器网络提出来的，所以在很多情 况下不符合传感器网络的应用需求。s m a c 协议是在i e e e 8 0 2 1lm a c 协议的基 础上，针对传感器网络的节能需求提出的基于传感器网络的m a c 协议。该协议 假定大多数情况下传感器网络的数据传输量少，网络能够容忍一定程度的通信延 时。它是为了减少空闲侦听、数据帧碰撞和减少控制开销而设计的。 ( 3 ) t - m a c 协议 t m a c 协议是在s m a c 的基础上发展而来，该协议将帧划分为休眠状态和 可变长度的活动状态( 自适应占空比) ，所有的数据在可变长度的活动状态期间内 发送出去。通过动态改变活动状态的持续时间来维持网络负载的平衡。为了解决 空闲侦听能耗问题，协议规定即使节点处于活动状态，但经过t a ( t i m ea c t i v e ) 时间后仍无数据到来的情况下，节点将立即进入休眠状态。 2 2 3 混合型m a c 层协议 混合协议包含竞争协议和非竞争协议的特点，既能保留各自协议的优点，又 能避免各自的缺点。当网络条件改变时，混合协议表现为以某类协议为主，其它 协议为辅的特点，因此混合型的m a c 协议更有利于网络的全局优化。下面介绍 的z m a c 协议就是一种典型的混合型的m a c 协议。 z m a c 使用竞争状态标识来转换m a c 机制，节点在a c k 帧重复丢失和碰 撞频繁发生的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由c s m a 机制转为 t d m a 机制。可以说，z m a c 在网络负载低的情况下类似c s m a ，在网络进入 高度竞争状态后类似t d m a 。此外，z m a c 协议将信道使用物化为时间帧的同 时，使用c s m a 作为基本机制，时隙占有者只有数据发送的优先权，其它节点可 以在该时隙发送信息帧。当节点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短， 从而真正获得时隙的信道使用权。协议达到即时的适应网络负载变化的同时， t d m a 和c s m a 机制的互换会产生大量的能耗，对于网络负载的突发波动会造 成网络延迟问题。z m a c 并不需要精确的时间同步，有着较好的信道利用率和网 络扩展性。 2 3i e e e 8 0 2 15 4 简介 2 3 1i e e e 8 0 2 1 5 4 标准概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组致力于定义一种供廉价固定的、便携或移动设备使用的， 低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，并在2 0 0 3 年1 2 月通过了 第一个i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。随着无线个域网的推广，无线通信网络越来越关注于 如何扩展w l a n 的能力以及开发出一种新的通信方法来适应不断增长的业务需 求。由此就产生了低速率无线个域网标准的概念，而随着无线传感器网络技术的 发展，这个也适用于无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了在个人局域网中通过射频方式在设备间进行互相通信的方式与协议。 该标准使用避免冲突的载波监听多址接入方式作为媒体访问机制，同时支持星形 与对等型拓扑结构。此外，采用可选的超帧结构，个域网中的协调者可以向其它 的节点设备分配时隙。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准， i e e e 8 0 2 1 5 4 在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、 安全考虑等方面都做出了说明。协议模型划分为物理层( p h y ) 和媒体访问控制层 ( m a c ) 两个子层进行实现。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中物理层的作用是通过选定一个特定的无线信道并根据某 种调制方式和扩频技术进行数据传输和接收。频率越低传输损耗越小，因此更适 于远距离传输。低速传输提供了更好的灵敏度和更大的覆盖范围。速率越高意味 着吞吐量越高，更低的延迟和更低的占空比。所有的这些频带都基于直接序列扩 频技术( d s s s ) 。i e e e 8 0 2 1 5 4 提供了三个工作频段：2 4 g h z ，9 1 5 m h z 以及 8 6 8 m h z 。在8 6 8 m h z 和8 6 8 8 m h z 之间只有一个信道，在9 0 2 m h z 和9 2 8 m h z 之间有1 0 个信道，在2 4 g h z 和2 4 8 3 5 g h z 之间有1 6 个信道。在2 4 g h z 的速率 为2 5 0 k b p s ，在9 15 m h z 的速率为4 0 k b p s ，在8 6 8 m h z 的速率为2 0 k b p s 。每个频 带的参数( 调制方式、线性调频速率和比特速率等) 如表2 1 所示： 表2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 频带参数 频带( m h z ) 扩频参数数据参数 线性调频速率调制方式比特率符号速率 符号 ( k c h i p s ) ( k b p s )( k s y m b o l s ) 8 6 8 3 0 0b p s k2 02 0 二进制 9 1 56 0 0 b p s k4 04 0 二进制 2 4 0 02 0 0 0 o q p s k 2 5 02 5 0 十六进制 i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层具备如下功能： ( 1 ) 当前信道内的能量探测：这一功能并不在一个信道上作任何的信号识别和 解码。该功能是对一个i e e e 8 0 2 1 5 4 信道带宽内所接收信号能量的估算。 能量的帧测时间应该等于8 个符号周期。这一测量值通常被网络层应用， 作为信道选择算法的一部分，或者用作c c a ，来决定信道是忙还是闲。 ( 2 ) 激活和去激活无线收发机：根据协议的规定，从传输到接收或从接收到传 输的转换时间不应大于1 2 个符号周期( 每个符号相当于4 个比特) 。无线 收发机可能工作在如下三种状态的其中一种：发送、接收和睡眠，根据从 m a c 子层来的请求，无线收发机进行开或关。 ( 3 ) 信道空评定：这一功能负责报告介质活动的状态：忙还是闲。c c a 工作 在三种模式：具有能量探测载波监听模式，即上述两种技术的综合，仅当 c c a 探测到一个信号具有i e e e 8 0 2 1 5 4 的调制和扩频特征，并在e df - j 限值上时，报告介质忙；能量探测模式，即如果被测能量在e d 门限之上， c c a 报告介质忙；载波监听模式，即仅当c c a 探测到一个信号具有i e e e 8 0 2 1 5 4 的调制和扩频特征，并在e d 门限值上时，报告介质忙。 ( 4 ) 链路质量指示：这一测量可以通过利用接收机e d ，一个信号的信噪比估 算或者二者的组合来实现。l q i 指示可以表征一个接收到的包的质量，它 测量的是一个链路上接收到的信号的质量。l q i 的结果可以被更高的网络 层或者应用层利用。 ( 5 ) 信道频率选择：物理层应当有能力根据上层的请求将它的收发机切换到另 一个指定的信道，因为i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了2 7 种不同的无线信道，而一 个网络只能支持其中的一部分信道集。 2 3 2i e e e 8 0 2 1 5 4 拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种不同类型的设备：精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o n a l d e v i c e ，r f d ) 和全功能设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ，f f d ) 。r f d 只能与f f d 通信， 而f f d 可以作为个域网的协调器或一个普通设备和r f d 或其它的f f d 设备通信。 一个f f d 被激活后，它可以建立自己的网络，并且成为p a n 协调器，可以对整 个网络初始化、中断或为整个网络的通信选择路由，以及作为p a n 的主要控制器。 根据应用要求的不同，p a n 选择星形拓扑和点对点拓扑中的一种，两种拓扑 结构中p a n 协调器的作用如图2 2 所示。在星形拓扑中，通信在普通设备和p a n 协调器间进行。每个p a n 协调器一旦选定了一个标示符，就可以允许其它的设备， 例如r f d 和f f d 加入网络。这个标示符在无线网络内是唯一的。 星形拓扑中如图2 3 所示，该拓扑有一个唯一的节点作为p a n 协调器，其通 信准则是以该节点为网络拓扑的中心，在星形拓扑中p a n 协调器不是由电池供 电，而从节点设备由电池供电。正因为如此，星形的拓扑结构并不适合传统的无 线传感器网络，因为传感节点都由电池供电，因而传感器网络将受到很大的能量 ，d i e e e 8 0 2 15 4 时隙c s m a c a 算法性能研究 限制。其它网络设备( f f d 或者r f d ) 要想与其它设备通信或者加入网络都必须先 将其数据发送给p a n 协调器，然后再经由p a n 协调器发送给目的节点设备。如 果一个传感节点被选为p a n 协调器，那么该节点将很快消耗完其电量。为了解决 这个问题，可以根据传感节点中的剩余电池能耗动态选择剩余电量大的某一节点 作为p a n 协调器。但是这种方式需要一个在大量的传感器节点中动态地选择一个 p a n 协调器的算法，而该算法将会非常复杂，因此并不实用。出于这些因素的考 虑，i e e e 8 0 2 15 4 建议星形拓扑应用于个人电脑和外设家电、自动化以及玩具等 耗电低的场合。 图2 2 拓扑结构中p a n 协调器的作用 点对点拓扑结构如图2 4 所示，个域网协调器也存在于点对点形拓扑结构中， 但它的作用和星形拓扑结构中不是完全相同。协调器负责的是新节点的身份确认 和拓扑问题。在点对点形拓扑结构中，普通结点之间不必通过协调器中转，而只 要彼此在互相通信范围内就可以直接进行数据传输。点对点形拓扑结构可以用于 更为复杂的网络构架。 图2 3 星形拓扑结构 图2 4 点对点拓扑结构 簇树形的拓扑结构如图2 5 所示，是一种特殊的点对点网络结构。一个r f d 作为一个叶节点连接到簇树拓扑中，并仅与一个f f d 相关。在这种拓扑中，仅有 一个协调器被命名为p a n 协调器用于识别整个网络，大多数的网络设备为f f d ， 任何其它的f f d 可以用作协调器来为其它网络设备或者协调器提供同步服务。 图2 5 簇树拓扑结构 2 3 3i e e e 8 0 2 1 5 4 超帧结构 超帧结构如图2 6 所示，低速无线个域网允许选择性地使用超帧结构，超帧的 格式由协调器决定。如果协调器不需要使用超帧结构，它可以停止发送信标帧。 信标帧可以用来标识个域网，同步个域网中的设备，描述超帧结构等。在使用超 帧结构的模式下，协调器会根据设置周期性地发送信标帧，而超帧正是由网络中 的信标帧划分的，包括竞争接入时段( c o n t e n t i o na c c e s sp e d o d ，c a p ) ，非竞争接入 时段( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ，保证时隙时段( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 。 图2 6 超帧结构 一个超帧中g t s 的集合称为c f p ，它一般紧跟在c a p 的后面。针对网络负 荷较低的情况或要求特定传输带宽的情况，协调器可以从超帧中划分出一部分时 间，专门为这样的传输请求服务。被划分出的时间就称为g t s 。g t s 传输模式也 是可选的，由普通设备向个域网协调器申请，协调器会根据当前的资源利用状况 给予答复，并通过信标帧将下一个超帧的结构广播到网络中。c f p 中每个g t s 里的数据传输也要在下一个g t s 开始之前或c f p 的终点之前结束。同样，c a p 中的数据传输必须在c f p 开始之前结束。 l 垦堡曼兰! ! ! ：! ! ：! 堕堕竺兰坐竺垒篁鲨堡堂堕壅 2 3 4i e e e 8 0 2 1 5 4 数据传输方式 根据i e e e 8 0 2 15 4 协议，低速无线个域网中存在着三种数据传输方式：设备 发送数据给协调器、对等设备之间的数据传输和协调器发送数据给设备。在点对 点拓扑结构网络中，三种数据传输方式都存在。而在星形拓扑结构的网络中只存 在第一种和第三种数据传输方式，这是因为数据只在协调器和设备之间交换，设 备之间的数据传输也要通过协调器来转发。 ( 1 ) 设备发送数据给协调器 在信标帧使能通信方式中，当设备有数据帧要向协调器发送时，设备首先接 收协调器向网络中广播的信标帧。当接收到信标帧后，设备可以和协调器及网络 中的其它节点设备在超帧上保持同步。之后设备可以使用时隙c s m c a 算法竞 争信道资源，向协调器发送数据帧。当协调器成功接收到数据帧后，协调器可以 选择发送确认帧( a c k ) 给设备。发送确认帧时不需要通过c s m a c a 算法去竞争 信道资源，而是紧跟在数据帧之后发送。当设备成功接收到确认帧后，本次通信 结束。整个过程如图2 7 所示。 协调器网络设备 图2 7 设备发送数据给协调器 ( 2 ) 协调器发送数据给设备 在信标使能通信方式中，当协调器要向从节点设备发送数据时，协调器会将 该信息保存在信标帧中，进而向整个网络广播信标帧。设备会周期性的接收网络 中协调器发送的信标帧，当设备从信标帧中获知有自身要接收的数据时，设备将 通过时隙c s m a c a 算法竞争信道资源，随后发送m a c 命令帧请求接收数据。 当协调器成功接收到该请求接收数据的命令回应帧后，协调器可以选择发送确认 帧给设备。然后协调器可以通过时隙c s m a c a 算法竞争信道资源，发送数据给 从设备。 设备通过发送确认帧来确认这次通信成功，当协调器接收到确认帧时，结束 通信。整个过程如图2 8