超宽带无线传感器网络的MAC协议研究综述.doc

超宽带无线传感器网络的MAC协议研究综述Summary on MAC Protocol for Ultra-Wideband Wireless Sensor NetworksAbstract: The Ultra-wideband(UWB) technique can provide many advantages over current wireless commnunication manners. Applying UWB to wireless sensor networks (WSN),the performance of WSN would be improved significantly.Currently,there are much less Medium Access Control Protocol(MAC) for UWB wireless sensor networks. Such being the case,we utilize the features of UWB and then illustrate the way of designing the appropriate MAC for WSN.We mainly discuss the choise of UWB signal,channel access,code,near-far effect,power control,rate control,ranging,positioning and so on. Furthermore,we provide the adaptation scheme jointed with cross-layer idea.In sum,the article introduces the systematical solution for the design and optimization of MAC layer in UWB wireless sensor networks.Keywords: Ultra-wideband Wireless Sensor Networks,Medium Access Control Protocol摘要： 超宽带技术能提供许多现有无线通信方式无法提供的特性。将超宽带技术应用于无线传感器网络能使网络性能得到很大改善。目前，针对超宽带无线传感器网络的MAC协议研究较少。本文针对超宽带的特性，结合无线传感器网络的特点，着重从超宽带信号的选择、信道接入方式、编码方式、远近效应、准入控制、功率控制、速率控制、测距和定位等方面阐述如何设计适合超宽带无线传感器网络的MAC协议。同时为了提高整体网络性能，利用跨层设计的思想给出适合超宽带网络自适应策略。全文介绍了超宽带无线传感器网络MAC层设计和优化的系统解决方案。关键词：超宽带无线传感器网路；MAC协议1 引言1988年Mark Weiser提出了“普适计算”的思想，强调把计算机嵌入到环境或日常工具中，让计算机本身从人们的视线中消失。在“普适计算”思想的催生下，随着无线通信技术、数字信号处理以及传感器技术的高速发展和日益成熟，促使计算、通信和传感器等多项技术交叉应用，为以信息获取、信息处理和传输为基础的无线传感器网络提供了有力的技术支持。无线传感器网络在军事、工业、医疗、灾害预报等领域都具有广阔的应用前景，特别是在生化危险环境的探测、特殊地域或特殊工作环境的监测以及军事侦察与跟踪等方面，具有重要的应用价值。超宽带无线电（UWB）是近年来发展迅猛的新型通信方式，它直接发射脉冲，无须中频和射频电路，尤其适合微小传感器节点的设计。超宽带技术与其他的一些无线技术相比具有以下特点：(1)具有极宽的频谱（3.1G到10.6G）；（2）可在近距离获得极高的数据传输速率，且在实现高达20500Mbps数据传输的同时有着低功耗的显著优点；（3）在处理数据速率方面具有较高的灵活性，能根据传输参数和环境的不同而匹配最佳的数据速率；（4）具有很强的固有抗多径衰落和干扰能力；（5）穿透性强；（6）具有精确的测距和定位能力，定位精度高达厘米级；（7）具有距离、速率和功率的互换性；（8）非常简单的收发信机结构和硬件电路；（9）空间传输容量大；（10）功率谱密度低，信号隐蔽性好。综上所述，利用超宽带冲激无线电作为无线传感器网络的基本传输手段，将解决基于正弦无线电的传感器网络的很多困难问题，特别是在功耗、成本、体积、网络容量、定位功能、信号隐蔽性、与其他系统的共存性以及高速传输等诸多方面超宽带冲激无线电具有独特的优势。MAC 层的功能是控制网络中的各节点对共享信道的接入, 网络的性能如吞吐量、时延等直接依赖于所采用的MAC 协议, 其重要性显而易见。而由于无线网络节点移动性和信道的时变性, 容易产生帧丢失、突发损失、帧时延等问题, 要充分发挥UWB 的优势同时减小其同步时间相对于高速传输速率较长的影响,必须针对UWB技术的物理层特点对MAC 层进行设计。当前有关UWB的MAC研究，主要是利用UWB极高的传输速率，集中于无线个域网和蜂窝网络中。这些协议通过一个中央控制器将同时传输的节点分配到不同的时隙或者编码信道，从而阻止碰撞和对各种高速UWB设备接入进行控制。考虑到超宽带的各种特点，这种技术在移动自组和传感网络中也有广阔的应用前景，但是目前针对此类相对低速的超宽带传感器网络的MAC研究还比较少。2 超宽带与无线传感器网络UWB通信主要有基于冲击的无载波UWB系统（I-UWB）和多载波调制UWB系统（MC-UWB）两种方案。与MC-UWB相比，I-UWB直接利用基带窄脉冲进行通信, 具有极强的多径信道分辨能力, 对多径衰落的鲁棒性强；具有厘米级的定位能力；功率、速率和距离的互换性强；因无需对载波进行调制, 所以收发信机结构简单, 实现成本低、功耗小，尤其适合微小传感器节点的设计。所以在无线传感器网络中，采用基于冲击的无载波UWB系统（I-UWB）更加合适。超宽带无线电信号2732发射超宽带（UWB）信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲（0.1ns0.5ns），产生了很宽的频谱，这种脉冲可以称为“单周期”，这种传输技术称为“冲激无线电”（Impulse Radio，简写为IR）。信息数据符号对脉冲进行调制，其调制方式可以有多种，脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制(PAM)是最常用的两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外，为了形成所产生的信号的频谱，还要用伪随机码或伪随机噪声（PN）对数据符号进行编码。一般是，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移，这就是所谓的跳时超宽带(TH-UWB)。而直接序列扩谱（DS-SS）就是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制，这在冲击无线电中被称为直接序列超宽带（DS-UWB）。针对无线传感器网络主要采用IR-UWB，特别是TH-UWB。在结合了二进制PPM的TH-UWB中，脉冲无线电（IR）发送极短的脉冲传统的方法是通过脉位调制（PPM）进行信息传输。在二进制表述中，通过将一个单周期置于时间t0，一个逻辑“0”被传输，同时如果这个单周期偏移秒（置于t0）一个逻辑“1”被传输。为了让不同的用户同时共享无线资源，可以采用跳时（TH）码，跳时码以一种伪随机方式选择。图1显示了两个用户通过跳时多址共享频率资源。第一个用户的跳时码是（1,3,0,2,），第二个用户的跳时码是（3,2,5,4,）。每个码字元素对应Tf周期内Nh个可能时间偏移中的一个，Tf是脉冲重复时间（通常百倍或者千倍单周期宽度）。每个Tf被分为Nh个时隙，周期为Tc。在脉冲重复时间内Ns个连续的脉冲用来传输一个符号比特。这样与一个码字相关的比特速率是R1/(NsTf)码字周期Np通常大于Ns。图1 UWB多址方式跳时脉冲位置调制TH-PPM-UWB第k个用户的信号波形为w(t)是发送的单周期脉冲，j表示第j个脉冲，为第k用户PN码的第j个码元，d表示传送的二进制“0”和“1”序列，“”表示取整运算。3 MAC的评价标准和功能3.1 MAC协议性能评价指标32(1) 吞吐量：定义为传输数据时所占信道容量的百分比。(2) 时延：即分组在MAC队列中的平均时间。(3) 公平度：可表述为如果所有节点占用媒体的机会相同，则媒体接入是公平的。其他的评估参数通常与具体的MAC协议相关。上述3个性能指标不仅是评价MAC协议的标准,也是其设计和实现的优化目标。在动态环境中，MAC应该有能力实现上述目标，能灵活地适应信道特性、业务流特性和本地网络拓扑的变化。同时,这些性能指标是相互关联的,必须根据应用的具体需求做出权衡,以选择和设计合适的MAC协议。3.2 MAC要完成的典型功能或任务32（1）媒体共享决定了终端如何接入媒体以实现数据分组的传输（2）MAC组织处理MAC的组织，在资源共享中，终端怎样相互协调（3）准入控制用于协调网路中的业务流的接入，以避免拥塞（4）分组调度当同一终端存在多个业务流时，分组调度用于选择下一个传输的分组（5）功率控制对网络中所采用的发射功率进行优化服务质量（QoS）管理叠加在上述功能中。QoS包含了上述大部分功能，可以看成是一种横向功能。4 研究现状4.1 无线网络的MAC协议分类MAC层通常被认为是数据链路控制（DLC）层的底层部分。MAC对高层DLC提供的服务是提供比特通道，避免和解决媒体接入时的竞争问题，协调多个用户共用一个信道实现高效可靠传输。针对媒体共享、MAC组织、准如控制、分组调度和功率控制等任务，在无线网络中，已经提出了各种各样的MAC协议，其侧重标准和主要任务各有不同。MAC 协议可分为同步协议和异步协议。同步MAC 协议中，所有节点在时间上是同步的。异步MAC 协议采用分布式的控制机制，其信道接入多是基于竞争模式的。MAC 协议也可分为发方驱动协议和收方驱动协议。收方驱动协议是由收方通知发方已经准备好接收数据，如MACA-BI。发方驱动协议是发方通知收方有数据需要发送，如MACA。现有的大多数协议都是发方驱动的，也有少数协议是混合式的。MAC 协议还可以分为单信道、双信道和多信道协议。单信道协议中，所有的信号都在同一个信道上传输。为了减少冲突，可以把信道分成控制信道和数据信道，分别传输控制信号和数据信号，避免数据信号和控制信号的冲突。单信道协议很难完全解决冲突，采用双信道或者多信道协议把控制信号和数据信号分开，可以提供更高的信道利用率。按照移动终端发射功率是否相同，可以将网络分为对等网络和非对等网络，因此可以将MAC 协议分为对等网络MAC 协议和非对等网络MAC 协议。对于MAC 协议的分类，也可以针对所解决的问题不同来划分，最初的MAC 协议都是为了解决隐终端和显终端的问题，随着对MAC 协议研究的深入，在解决这两个问题的基础上，又出现了解决以下问题的协议：为减少节点间的相互干扰，提高网络的吞吐量，提出的带有功率控制的MAC 协议；从节省能量角度出发的MAC 协议；受信道捕获时间影响，MAC 协议性能有所降低，为了减小端到端时延，提出的MAC 协议以及为降低由于节点移动而增加的报文冲突而提出的MAC 协议等。4.2 超宽带无线传感器网络的MAC协议有效的MAC的设计通常需要准确知道物理层的信息，这在UWB系统中，是一个至关重要的问题。UWB的典型特征，如需要在低功耗状态下工作、具有相当精确的测距能力、较高的传输速率、速率和距离的互换性、抗干扰和多径、穿透力强等，可以支持新的MAC功能定义，以及与传统MAC功能完全不同的实现方法。在无线传感器网络中，当前研究较多的无线传感器网络主要MAC 协议有：自组织介质访问控制协议（SMACS）和聆听-注册（EAR）算法；基于CSMA 的介质访问控制协议；基于混合TDMA/FDMA 的介质访问控制协议等。这些协议都是基于正弦无线电的。超宽带无线传感器网络可以从超宽带无线电基本的信道划分方式入手，充分利用超宽带无线电现有的多址方式（如跳时多址），借鉴现有协议，并充分利用超宽带无线电自身的高精度定位能力，研究功率消耗小、时间-能量敏感且与网络服务质量相协调的MAC协议。已有的适用于Ad Hoc和WSN的超宽带MAC协议主要侧重于利用UWB的各种特性，解决媒体共享、MAC组织和准入控制等特定问题。还有的超宽带MAC协议，特别是针对对能耗要求严格的无线传感器网络的超宽带MAC也把功率控制放入了考虑的范围之内。下面主要针对UWB的特性，结合Ad Hoc和WSN网络的特点，分析在超宽带无限传感器网络的MAC设计中需要着重考虑的问题和研究现状。4.2.1 考虑信道接入方式的MAC协议分布式网络中多数现有的MAC模型都基于所有用户共享一个信道的假设，在该假设条件下，对信道的接入方式可能有两种选择：要么是终端通过竞争方式实现对信道的占用（随机接入），要么由一个控制单元基于特定的资源分配协议实现对信道的控制管理（预约接入）。随机接入适合于突发业务，而预约接入可以在传输连续数据分组流时获得更高的信道利用率。对网络结构易于变化和数据量要求不高的用于突发事故监测的无线传感器网络中，采用随机接入方案比较合适。无线网络中典型的随机接入方案有：Aloha、载波侦听多路接入(CSMA)、带外信令。Aloha的主要优点是简单，它仅在传输前对每一个数据分组增加循环冗余编码（CRC）字段。如果分组发送时发生冲突，则激活退避过程，冲突分组被安排重传。Aloha在低业务流负载情况下性能较好，但随着业务流负载的加大和分组长度的增加，其性能急剧下降。时隙Aloha将时间轴按时隙进行划分，终端仅在各时隙开始时才可以进行发送，其总体性能比纯Aloha方案略有改善。当业务流负载较大时，采用CSMA方式可以获得更高的吞吐量，该方式在开始传输前每个终端都要进行信道侦听。CSMA的性能受到“隐藏终端”和“暴露终端”问题的严重影响如图2。要解决“隐藏终端”和“暴露终端”问题，CSMA可通过引入三次握手协议进行修改，例如多址接入冲突避免MACA协议36，通过握手协议替代了载波帧听过程，如图3。MACA 协议使用两种定长消息分组RTS（request to send）和CTS（clear to send）来控制信道访问。该协议RTS 和CTS 分组中包括了源节点地址、目的节点地址和要发送的数据分组长度等信息。它的原理是：当节点有数据要发送时，它先发送一个RTS分组给目的节点；如果目的节点收到了这个分组且它没有进入延迟状态，它立即回复一个CTS 分组给源节点；接到从目的节点发来的CTS 分组后，源节点立即向目的节点发送数据。在以上的过程中，任何接收到RTS 分组的节点都需要进行延迟退避，在源节点和目的节点通信的过程中它不可进行接收，防止源节点发给目的节点的数据干扰自己的接收。同理，任何接收到CTS 分组的节点也需要进行延迟退避，在目的节点接收源节点数据的过程中不可以进行发送，以免干扰目的节点的接收。使用MACA协议时，尽管仍有可能发生RTS 分组和CTS 分组的碰撞，但由于控制分组的长度很短，冲突的概率和时间都很小，从而可以提高信道利用率，同时，从表面上看，使用MACA 协议时，只收到CTS 分组未收到RTS 分组的节点要延迟自己的发送从而解决了隐藏终端问题，只收到RTS 分组未收到CTS分组的节点不能接收但可以发送从而解决了暴露终端问题。但实际上暴露终端问题并未解决。带外信令MAC算法通过采用一个专门的信道发送指示传输开始的信号，从而解决“隐藏终端”和“暴露终端”问题。可用的通信带宽被分为两个信道：一个用于数据分组交换的数据信道；一个窄带信令信道，用正弦波作为忙音，表明终端在发送或接收以避免“隐藏终端”产生的干扰。双忙音多路接入DBTMA37协议将这种方法扩展到分布式网络中，采用将两种不同的忙音信号与三次握手协议结合起来，类似于MACA，如图4。DBTMA 协议把信道分割成控制信道和数据信道，分别传输数据信息和控制信息，并且在控制信道上还增开了2 个带外忙音信号，一个指示发送忙，一个指示接收忙。2 个忙音在频率上是分开的，以免干扰。与MACA 相比，DBTMA 协议的效率有很大提高。由于忙音信号在通信期间一直存在，可以确保不存在用户数据帧之间的冲突。由于控制帧的长度很小，所以冲突发生的概率大大减少，并且可以更好地解决暴露终端问题。图2 隐藏终端问题和暴露终端问题图3 MACA协议图4 DBTMA协议值得注意的是，在随机接入方式中，多信道接入方法是另一可能的选择且已有广泛的研究，能获得吞吐量性能的显著改善并利于解决分组碰撞和冲突干扰。在多信道情况下，所有可用资源分为不同的信道。一个信道通常对应于如TDMA中的某一时隙，或FDMA中某一频带，或CDMA中的某一种编码。在文12中介绍了一个CSMA/CA和CDMA相结合的适合于传感器网络的低功率分布式MAC协议。采用一种CDMA的伪随机码分配算法，使每个传感器节点与其两跳范围内的所有其他节点的伪随机码都不相同，从而避免了节点间的通信干扰。同时作者发现已有传感器节点大约90的能量用于信道侦听，原因是现有无线收发器中链路侦听和数据接收使用相同的模块。因此建议采用链路侦听和数据收发两个独立的模块。这说明多信道接入方式可以解决无线传感器网路中有关吞吐量、“隐藏终端”和“暴露终端”、分组碰撞、能耗等诸多问题。在I-UWB系统中，具有频谱宽的特点，为了能与其他无线系统共存，必须降低传输能量。功率谱密度低的特点有利于信号隐蔽性和设计低功耗硬件的设计，但是却无法侦听信道。这使得无线网络中传统的载波侦听机制在超宽带无线传感器网络中无法工作。但是跳时冲击无线电（TH-IR）UWB提供了一种简洁的基于跳时码的资源分配方案TH-UWB，类似于CDMA方式的伪随机跳时码互相关性很低，同时超宽带中码片时间Tc很小，脉冲重复周期Tf很大，这样跳时序列在时间上重合的可能性很小，所以为不同的用户分配不同的TH码可以很好地解决多用户冲突和干扰问题。另外，类似于多信道CDMA MAC算法，TH-UWB也可采用多信道的方式，一个信道对应一种跳时码。多信道方式允许多个用户同时传输并减少隐藏终端带来的冲突。虽然在多信道方式中，子信道带宽下降可能引起时延，但是超宽带的带宽很宽，即使在低速应用下也能提供高出其他无线传输方式很多的带宽。由以上分析可知，采用TH-UWB非常适合无线传感器网络，在对吞吐量要求高的时候，加上多信道的接入方式会有更好的性能。在DCC-MAC4中，应用TH码多路接入物理层，基于PPM-UWB，提出了一个联合物理和MAC层的体系结构，适用于低速、低功耗、定位、分布式的IEEE 802.15.4a1网络架构。在跳时超宽带物理层，采用比较大的脉冲重复周期（PRP），这样一方面可以降低辐射的能量，另一方面减少了时间上跳时码重复的可能。在信道访问方面，通过结合基于接收端和基于邀请的THS选择解决了UWB中不能用传统的载波侦听的问题。为了避免同时几个发送端向一个接收端发送数据，采用私有MAC（Private MAC）的方式进行通信，通过基于接收端通过公共的跳时序列（public THS）竞争访问目的端，但是建立通信通过私有的属于源目的对的私有序列（private THS）。假设一个节点S有数据发往节点D，同时没有其他的节点往D发数据。空闲的节点D用它的THS监听信道。当节点S需要与D通信，它用D的THS发送一个传输请求包（REQ）。为了能让其他的节点知道自己发送了一个请求，这个REQ采用最低的速率RN确保最大的能量。D用私有序列回答一个响应包（RESP）,速率也是RN.当S收到RESP，开始传输数据。传输完后，发送端和接收端用它们自己的THS发布一个空闲信号通知其他节点。整个过程如图5。DCC-MAC无需公共控制信道，一个节点能够监听多个THS，但是一次只能接收一个节点，而且，一个节点不能同时收发。 图5 私有MAC在(UWB)25中，也采用TH-UWB的方式，但是与DCC-MAC不同的是，(UWB)2充分利用冲击无线电的典型特点，采用纯ALOHA方法和基于TH CDMA的随机多信道接入方法，一个终端在多个链路发送的同时可以在多个链路上面接收。(UWB)2应用多码概念，基于公共控制信道和数据信道的混合方案，公共控制信道由公共TH码提供，数据信道与发射机TH码相联系。传输过程如图6，终端T周期检测传输队列的状态。检测倒一个或者更多MACPDUs就触发传输过程如下：1) 目的接收端R的ID从队列中第一个PDU提取2) 发端T判断队列中有多少PDU要发送到R3) T检查在其最后的活动状态时间内是否还有其他的PDU要发送到R。如果是T认为R 是一个活动接收端，然后转到第五步4) 如果R不是一个活动接收端，T产生一个建立链路LE的包，LE包包含下列域同步头用来同步TXNODEID发送端T的MAC IDRXNODEID接收端R的MAC IDTH_FLAG如果标准的TH码关联到TXNODEID，FLAG为TRUE，传输PDU，如果采取一个不同的TH码，FLAG为FALSE。TH CODE如果TH_FLAG为FALSE，TH码中的信息将在这个区域提供。5) 终端T发送LE包，同时等待一个来自R的链路确认回应包6) 如果LC包在时间TLC没有收到，在MACPDU传输被认为失败之前，LE包可最多重传NLC次7) 收到LC包后，T转到在LE包中声明的TH码，传输数据包，数据包结构如下：同步头用来同步头部包含TXNODEID,RXNODEID,PDUNUMBER和NPACKETS有效载荷包含数据信息8) 一旦传输完成，T再次检测数据队列的状态，然后重复传输过程直到队列中的MACPDU 都被服务完。接收过程如图7。接收端R在空闲状态下，监听公共TH码。当一个同步头被检测到，R开始以下步骤：1) R检查RXNODEID域。如果这里的值既不是R的MAC ID，也不是广播ID，这次接收中止 并结束整个接收过程。2) 假设RXNODEID包含R的MAC ID。因为R被假设为空闲状态，MACPDU传送到这个终端将自动成为LE包3) 接收到LE包后，R创建一个LC包，LC结构为：同步头为了同步TXNODEIDT的MAC IDRXNODEIDR的MAC ID4) R发送LC包，同时转到活动状态，监听LE包中的TH码。如果在时间TDATA内没有接收到数据包，接收端回到空闲状态，此过程结束5) 当收到一个数据包，R处理负载，从头部提取NPACKETS。如果NPACKETS0，R保持活动状态，因为还有数据可以从T接收。如果NPACKETS0，R回到空闲状态。 图6 发送过程流程图 图7 接收过程流程图 在文173539中，考虑到在超宽带无线传感器网络中进行频域上的载波侦听比较困难，提出了脉冲侦听多路访问（PSMA）的思想。脉冲侦听主要是利用I-UWB频谱宽的特点，在频域检查接收信号中一直存在的功率谱成分，避免了在时域上寻找窄脉冲的困难。 4.2.2 考虑码分配的MAC协议 在基于TH-UWB的超宽带无线传感器网络中，TH码的出现，可以解决多用户干扰的问题，同时还可以支持类似CDMA系统的多信道接入方式。针对跳时超宽带系统的特点，设计相应的TH码分配策略显得非常重要。多信道CDMA MAC算法，通常指得是多码（Multi-code），这已经在CDMA网络中研究得很深入。其中，(UWB)2采用了随机CDMA接入和更新的多码时隙扩展Aloha方式。尽管最近几年大多数的研究集中在DS CDMA上，但TH CDMA也为分布式网络提供了可行的办法。多码MAC算法的性能受以下两个因素的限制：1) MUI，由不同用户通过不同码同时传送分组而产生。2) 碰撞，在相互可达的两个不同发射机选用同一个码时产生。MUI鲁棒性由码得互相关性决定。不同码的互相关性越低，允许越多的发射机在同一时刻发送。码碰撞的影响可以通过选择合适的码来减轻。在分布式网络中，同一无线覆盖区域内不同发射机的码分配是一项具有挑战性的工作。常用的码分配方案有以下几种：1) 公共码所有终端共享同一码，不同通信链路的码相位不同来避免碰撞。2) 接收机码每个终端有一个唯一码用于接收，发射机想要发送分组时调整到这一 码上。3) 发射机码每个终端有一个唯一用于发射的码，接收机想要接收这发射机的分组则调整到这一码上。4) 混合码组合了上面的几种方法。在公共码中，多码容量没有考虑。如果相移很小，这种方式变得与单信道的Aloha方式差。接收机码的主要优势是减小了接收机的复杂性，因为终端只需接听它的接收码。另一方面，与同一接收机相关的多个发送可能会导致碰撞，因为多个发射机采用相同的接收机码进行发送。反过来，发射机码方式在接收机处可以避免碰撞发生，这是由于每个发射机用的是它自己的码，但这需要接收机收听网络中的所有可能的发射机码。混合码方式是上面几种方式的折衷。混合码方式可预知接收机码或发送信令信息的公共码的使用情况，接收机可获知其中将用于数据发送的码。发射机码方式则用于数据发送。另外，当码字集合数有限时，即使发射机码方式也会由于同一码字的重复分配而出现碰撞，这就需要特定的码分配方案。在基于TH-UWB的超宽带无线传感器网络中，好的码分配方案应该减少TH码间的互相关性，同时避免重复码分配。在(UWB)2中，应用多码概念，采取一个混合策略基于公共控制信道和数据信道的混合方案，公共控制信道由公共TH码提供，数据信道与发射机TH码相联系。混合方案采用的可阐述如下：1) 由于数据传输（与相应的TH码）首先在控制信道上通信，简化了接收机结构2) 提供了用于广播的公共信道。例如路由和分布式定位协议等是需要广播信息的。至于码分配,在(UWB)2，MAC ID与发射机码之间的唯一性可通过采用34中描述的算法获得。其码的产生是基于MAC ID，避免了实行分布式码分配协议。在DCC-MAC中提到，THS不完全等同与传统的CDMA和扩码技术，THS之间的正交性是不需要的。在这个协议中，THS是一个周期序列用来确定每个帧中哪个码片位置用来传输。DCC-MAC用以下方法产生THS：每个用户有一个同样的伪随机数生成器（PRNG）和一个唯一的标识（它的MAC地址）。利用公共或者私有的THS进行通信。MAC地址是S的用户用S做为种子，通过PRNG产生它的公共THS。MAC地址是S和D的用户S和D，他们之间的私有THS 的由PRNG根据一个等于表示S和D关联的二进制数的种子产生。 在文27中，为了下行链路的同步通信提出了一种正交TH序列的构造方法，这种TH序列相似与CDMA系统中的正交可变扩展因子（OVSF）码。文中提出一种方法自适应调整每个符号对应的脉冲数，通过计算所有用户总共的脉冲数，基于跳时UWB分簇的传感器网络的簇头按照表1的方法构造正交码。在这里，S是包含整数1到的整数集，rand(S, )表示从集合S中选取的个随机整数，操作符“”将其左边的整数集从其右边的整数集中排除表1 码构造算法从DCC-MAC和(UWB)2可知，大部分针对TH-UWB的码分配都是基于MAC ID的。随着IPv6的推广，我们完全可以给每个节点分配一个全球唯一的MAC地址，由这个唯一的MAC地址来映射不重复的TH码。这样将很好地解决任意规模传感器网络中的码分配问题。4.2.3 考虑远近效应的MAC协议在无线通信中，离接收机近的发射机会遮蔽离接收机远的发射机的信号，这就是远近效应。通信距离越远，远近效应就越明显。这对利用降低速率换取传输距离的超宽带无线传感器网络而言显然是个问题。一般解决远近效应问题的方法有两个：功率控制和媒体访问。在文3中提出排他域（exculsion region）的概念用于超宽带网络以解决远近效应，如图8。当有数据传输时，最好在目的节点设置一个排他域，在传输过程中，排他域中的节点保持沉默，排他域外的节点可以并行传输，而不用考虑他们在目的节点产生的冲突。同时，这些排他域外的节点可以根据在目的节点的冲突程度调整传输速率。排他域的最优化范围只依赖于链路中源节点的传输功率，不是依赖链路长度和附近节点的位置。图8 排他域在文11中，采用了3的排他域概念，如图9，提出同时传输的MAC（CT-MAC）。CT-MAC利用超宽带信道的另一个特点，给定比特错误率和传输速率，最优化的干扰距离和传输距离比小于一个单位。即给定优化的距离比，UWB可以有效地支持发送节点在接收端的可接收范围同时传输，只要这些传输节点在排他域之外。该协议选取了容量密度C做为 在文中指出，当给定传输速率，收发距离和分组长度，标准化容量密度为： 其中di=xd，W表示传输带宽，R为比特速率，L为分组长度。从公式和分析可以得出，为x的函数，并且选取适当的,可以达到最大值，而的选择由W/R决定。因此CT-MAC关键在于可以动态计算来提高吞吐量和减少时延，同时为了达到要求的比特错误率，选择最优化的小于一个单位的比值来计算传输节点对应的排他域，决定其他节点可否与它同时传输。图9 发送节点，接收节点和干扰节点的距离关系 除了可以通过“排他域”在超宽带无线传感器网络中减小远近效应的影响外，DCC-MAC还提出一种冲突缓解的策略来解决远近效应问题。DCC-MAC因为更改了PPM UWB，采取了很大的脉冲重复周期(PRP),同时利用了TH码相关性低的特点，这样冲突的概率本来就很低。只有当存在很近的强干扰时才考虑远近效应，为此提出简单的冲突缓解策略，其思路是在接收端用门限解调器来检测收到的能量是否高于门限。如果高于门限，码片被删除。通过实验得出一个合适的门限B3N+A，N是平均白噪声功率，A为估计的接收信号功率。因为PRP很大，删除的概率很小，同时由删除带来的损失可以通过一种信道编码策略来恢复。冲突缓解策略将排斥域的范围减小到一个可以忽略的值，同时提高了吞吐量。而且与基于排斥的机制相比，冲突缓解不需要发送者来协调哪个节点下次可以传输，从而大大简化了MAC层的设计。但是最优化的门限B还需要进一步的研究。4.2.4 考虑准入控制的MAC协议为了避免拥塞以满足网络性能的要求，需要进行准入控制。准入控制在有QoS要求的网络中是必需的，因为无规律的接入难以使性能得到保证。通过评估增加的业务流对网络吞吐量性能的影响，当新业务流引入的MUI导致网络性能下降到不可接受时，网络拒绝新业务流的接入请求而实现准入控制。分布式准入控制方法适合于按照TH-CDMA方式实现多路接入的UWB网络。7中提出了一种UWB专用的分布式准入控制功能。基于评价每条可能的新链路对活动链路产生的干扰，主要是信噪比、信干比和吞吐量的影响来控制新链路的建立。提出两种不同的联合管理功率和速率的准入规则。一类是预留带宽（RB），在准入开始通过协商，以给定带宽的方式支持QoS。这类服务适合有时间限制的数据流。另一类是动态带宽（DB），它能够根据系统条件动态调整带宽。这类服务符合IP网络中尽力服务的要求。其中DB准入规则主要使针对没有特别要求的业务流，类似于IP网络尽力传输服务。适合超宽带无线传感器网络。系统在建立时能感知对UWB终端之间的跳活跃通信链路的存在。对新链路的准入控制功能基于最大化网络吞吐量的准则，并反映下列策略：如果新链路造成的干扰影响并不比增加的吞吐量大，则允许这条链路建立。新链路的存在使MUI增大，并使现有活跃链路传输数据速率降低，以保证正确的性能要求(SNR和SIR)。如果由于传输速率的降低导致吞吐量降低总量能够由新链路所增加的吞吐量得到补偿，这新链路可被接受。在UWB网络中，假设N条链路是活跃的，则在第i条链路的接收端的SNR是： (1)为了使第i条链路的SNR不低于，由（1）可得功率和速率应该符合以下限制 （2）针对DB，有如下表示系统总吞吐量的目标函数 （3）根据限制（2）可得出，对任何给定p，当r满足以下关系时有H(r,p)H(p) （4）因此根据以上关系，提出了DB情况下的分布式功率和速率分配算法：在新链路接入前，总吞吐量为 （5）如果一条新链路要加入，需要调整其他链路的速率来满足SNR限制下的最大吞吐量 （6）由（5）和（6）可得 （7）如果以下公式满足，则因为接入带来的其他链路速率下降可以接受 （8）为了能让DB情况下的准入控制方案运用于分布式方式中，公平的准入规则需满足以下条件 （9）4.2.5 考虑功率控制的MAC协议对于所有节点以固定的功率发送数据的MAC协议，节点的传输距离固定，造成冲突范围固定，其空间信道复用率没有优化，在很大程度上限制了网络的容量。为了在当前的无线环境中充分开发现有的资源，提高频谱的利用率，在MAC 协议中引入了功率控制的思想，保证新的传输的建立既不会干扰正在进行的其他传输，又可以尽可能地限制传输所占的区域。无功率控制的MAC 协议和有功率控制的MAC 协议区别如图10所示。图10 采用功率控制对节点间通信的影响。目前，已有很多文献提出了功率控制的MAC 机制，典型的有PCMA38（power controlled multiple access）协议。PCMA的目的是通过控制节点的发射功率来减少各节点发射数据时的相互干扰，提高网络的吞吐量，当然降低网络中的冲突数量，也可以减少节点的功率消耗，延长网络寿命。PCMA 协议同样将信道分为忙音信道和数据信道，但是它根据收到的控制分组的信号强度来限制隐藏节点和暴露节点的发射功率，将开关型的固定功率发射模型推广为功率可变的发射模型。它的工作方式如下：发射端首先向接收端发射RPTS （request-power-to-send）帧来请求发射功率，接收端应答一个APTS (acceptable-powerto-send)帧，里面包含使接收端能成功接收分组的最小发射功率，这一机制保证发送节点可以按满足接收质量的最小功率来传输信息。然后发射端发射数据帧，接收端在成功接收数据后应答一个ACK 帧。同时每个活跃的接收机周期性地在忙音信道上广播它能忍受的最大噪声，这一机制保证了每一个节点的信息发送不会干扰邻近接收节点的数据接收。这样，潜在的发射机通过监听忙音来决定它所有控制分组（RPTS、APTS、ACK）和数据分组的最大发射功率。隐藏节点收到控制信息时，并不是不能向外发送分组，而是根据控制信息的强度来限制自己的发射功率。在隐藏终端和暴露终端的问题上，通过上述协议的控制机制，可以看到，由于忙音信道的监听测得的功率限制约束了发送的功率，使得隐藏接收终端和暴露接收终端的发送方可以发现冲突，从而停止发送控制包，并继续监听忙音信道，不会盲目地重复发送控制包；暴露发送终端通过测量如果认为不会影响接收方的接收质量，按照协议的规定是可以与发送节点同时发送数据的，隐藏终端和暴露终端的问题完全得到了解决。在9中提出一个基于CDMA的MAC协议，应用于无线Ad Hoc网络。信道增益信息通过RTS和CTS过程得知，从而动态决定发端的能量范围。通过估计允许的传输能量，这个协议允许在接收终端附近进行冲突受限的同时传输。其信道访问机制如下：终端j以最大的功率发射RTS包，在RTS包中有个最大允许发送功率的域maximum allowable power，如图11，来指示在不干扰任何j的邻居正在进行的接收过程的情况下节点j下能采取的功率。这个值由以下关系给出。同时在接收端i能接受的最小解码功率为当，且不大于时，节点i能接收到j的信号。图11 RTS包格式当节点i用CTS包回应j的RTS时，在CTS中指示节点j能采取的能量，并添加指示未来允许的干扰传输，如图12。发往j的CTS包用公共码在控制信道以最大功率发送。图12 CTS包格式一个可能的干扰s，当听到CTS包时，计算信道增益，并且结合算出自己的，从而也可以向i传输。4.2.6 考虑速率的MAC协议无线网络的性能标准可以分为两组：基于速率和基于功率。在文献3中提出的最优化方法主要目的是最大化速率，而不是节省电池的生命。最经常用的基于速率的评价目标是：总吞吐量，总利用率，最大化公平度。基于此，文章发现在给定节点功率限制下，基于超宽带的最大化速率的方案是：1、当有数据传输时，最好在目的节点设置一个排他域，在传输过程中，排他域中的节点保持沉默，排他域外的节点可以并行传输，而不用考虑他们在目的节点产生的冲突。同时，这些排他域外的节点可以根据在目的节点的冲突程度调整传输速率。2、排他域的最优化范围只依赖于链路中源节点的传输功率，不是依赖链路长度和附近节点的位置。3、每个节点在一个给定的时隙内，要么以最大功率发送，要么不发送。4、最优化的MAC协议跟路由协议的选择无关。考虑到超宽带具有功耗低的特点，同时在有些情况下无线传感器网络对数据传输速率的要求比较高，因此针对超宽带无线传感器网络需要考虑最优化速率以此提高吞吐量和减少时延。DCC-MAC指出在UWB网络中已存在的MAC协议要么是基于互斥或者是基于功率控制和互斥的联合。一个未被研究的领域是根据冲突改变速率。所以该协议利用了一种速率兼容的收缩卷积码（RCPC），通过增加冗余的动态信道编码策略提供了一个根据接收端情况控制发送端动态整最优化的编码速率。其增加冗余的动态信道编码过程如图13。通过动态信道编码和增加冗余，可变的编码速率通过收缩达到，即高速码通过移除低速码中的编码位产生。由RCPC可以动态调整编码速率RD,所以下标D可