基于CSMA/CA無線傳感器網絡的MAC層研究

1、無線傳感器網絡簡介及發展現狀

無線傳感器網絡是嵌入式系統、無線通信技術、網絡技術及微機電系統等學科互相融合、滲透而産生的新技術，廣泛使用在軍事國防領域、環境監測、交通管理、醫療健康、工商服務、反恐抗災等諸多領域，幾乎涵蓋了生活中的方方面面。無線傳感器網絡通過随機部署的節點以無線通信的方式自組成網，完成對環境資料的長時間自動監測、采集和傳輸。研究高效、節能的媒體通路控制(MediumAccess Control，MAC)協定是延長網絡壽命、提高網絡實時性的有效途徑。

無線傳感器網絡的出現引起了全世界範圍的廣泛關注。最早開始無線傳感器網絡技術研究的是美國軍方于20世紀90年代，資助了REMBASS、TRSS、SSW、SensorlT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、NEST等研究項目。此後美國國家自然基金委員會設立了大量與其相關的項目，如FireBug、CENS等。美國的CmsSbow、DustNetwork、Ember、Chips、Intel、Freescalc等公司，歐盟的Philips、Siemens、No虹a、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon等公司，日本的NEC、OKI、SkyleyNetworks、OMRON等公司都開展了WSN的研究，與WSN相關的國際标準也陸續出台，如IEEE802．15．4、WirelessHART[101、610wpan／ISAl 00[11]等。

在我國，無線傳感器網絡1 999年首次正式出現在中科院《知識創新工程試點領域方向研究》的資訊與自動化領域研究報告中，作為該領域提出的五個重大項目之一。2006年，政府将發展WSN列入未來15年的發展綱要，清華大學、浙江大學、上海微系統所、中科院計算技術研究所、軟體所、聲學所、微電子所、沈陽自動化所等機關相繼開展了WSN基礎理論研究，初步建立WSN系統研究平台，在節點體系結構、通信協定、覆寫、協同設計和資料管理等方面取得了重要成果Il21。随着無線傳感器網絡理論與技術的不斷成熟，其應用早已經由軍事國防領域擴充到環境監測、交通管理、醫療健康、工商服務、反恐抗災等諸多領域，使人們在任何時間、任何地點和任何環境條件下都能夠擷取大量翔實可靠的資訊，最終成為一種“無處不在’的傳感技術。

2、無線傳感器網絡MAC協定介紹

資料鍊路層是OSI參考模型中的第二層，其作用是加強實體層傳輸原始比特流的功能，将實體層提供的可能出錯的實體連接配接改造成邏輯上無差錯的資料鍊路，使之對網絡層表現為一條無差錯的鍊路。資料鍊路層向網絡層提供透明的和可的資料傳送服務，主要負責資料流的多路複用、資料幀檢測、媒體接入和差錯控制，保證了無線傳感器網絡内點到點以及點到多點的連接配接。由于無線傳感器網絡通常具有低資料吞吐量、多跳信道共享、能量受限等特點，是以其資料鍊路層主要研究媒體接入和差錯控制的問劇無線傳感器網絡資料鍊路層研究的的重點是媒體通路控制(MAC)協定，因為它要靠大量節點協同工作實作某種特定應用目标。作為一種能量有限的自組織網絡，無線傳感器網絡的MAC協定設計主要需要解決幾個方面的問題。

  1) 、能量問題。

傳感器節點電池通常使用幹電池、紐扣電池等供電，并且在很多時候電池不能更換或者電池耗盡時節點直接廢棄，從降低成本和系統易維護性的角度出發，網絡設計中通常要以節能降耗、提高節點的壽命作為重要設計目标。對無線傳感器網絡的MAC層設計而言，能量受限帶來的主要影響包括節點休眠排程機制和協定設計的複雜度。傳感器節點的無線通信子產品通常具有發送(TX)、接收(RX)、空閑(IDLE)和休眠(SLEEP)四種工作狀态，這四個狀态的能耗依次遞減。其中，休眠狀态的能耗遠低于其它狀态，隻是其它狀态的能耗的幾百分之一。是以為了節能，通常希望節點盡可能處于休眠狀态。為了保證節點能夠及時接收到發送給它的資料，MAC協定通常要采用“偵聽／休眠”交替的政策，如果偵聽時間過長，就會造成能量浪費；偵聽時間過短，又會增大消息延時。

對于一個大規模密集自組織網絡而言，休眠時間長短的合理選擇是比較困難的，這就需要合理的設計MAC機制使得這個選擇更加合理優化。另外，在休眠政策中還需要考慮收發同步問題，如果在目标節點處于休眠狀态或喚醒後還未準備就緒時，源節點就開始發送，接收端将無法正常接收，這會造成源節點的能量浪費，稱之為“overemitting”，這就需要設計MAC機制時考慮同步協調或者節點喚醒機制。此外，能量受限及其它一些因素例如節點通信、計算、存儲能力有限等，這就決定了傳感器網絡的MAC子層不能使用計算、處理過于複雜的協定，或者不能做能量損耗的傳輸。例如：如果MAC幀頭和控制消息包(ACK／RTS／CTS)中沒有包含有效的資料，那麼可認為是～種能量損耗的傳輸過程。對于資料負載較低的無線傳感器網絡來說，MAC的控制包傳輸會造成較大的能耗，因為這些控制包相對于資料包來講已經很大。

   2) 、網絡不均衡問題。

在第一章已經提及，無線傳感器網絡中的節點、甚至是通信鍊路都會是不均衡的，這樣會造成整個信道的不均衡通信，引起不公平性、延時大、能耗大等問題。在MAC設計中，應該避免這些問題。本文主要考慮的是節點不均衡帶來的異構問題。

  3)、多跳共享問題。

通信網絡的信道共享方式有三種：點對點(如兩個節點以半雙工方式共享一個信道)、點對多點(如蜂窩移動通信系統中的基站與移動台)、多點共享(如以太網)。無線傳感器網絡的信道共享方式為多跳共享方式，源節點覆寫範圍外的節點不受發射節點的影響，它們也可以同時發射信号，這實際上是一種信道的空間複用方式。由信道共享帶來的首要問題是資料包碰撞沖突，即如果網絡中的兩個節點在同一時間利用同一信道傳送資料時，它們會互相幹擾導緻資料包被破壞，被破壞的資料包一般直接丢棄，這樣就造成了這就造成巨大的能耗。

是以，有效地避免碰撞沖突是多跳無線傳感器網絡MAC協定的基本任務。不僅如此，無線傳感器網絡的多路共享信道使用方式還會帶來隐蔽終端(HiddenTerminals)和暴露終端(Exposed Terminals)問題。在單跳廣播信道中，資料包沖突是全局事件，所有節點都能正确感覺信道狀态并做出合理的信道通路決策。而在多跳傳感器網絡中，當某個源節點發送資料包時，并非所有其它節點都能感覺到該事件，這就會帶來隐蔽終端和暴露終端問題。隐蔽終端是指在目标節點覆寫範圍之内而在源節點覆寫範圍之外的節點。

暴露終端是指在源節點覆寫範圍之内而在目标節點覆寫範圍之外的節點。隐蔽終端和暴露終端會帶來消息延遲和不必要的重發，進而造成信道使用率降低和節點能量浪費，可以采用RTS／CTS(請求發送／清除發送)握手機制、時分複用等方法來解決該問題。解決隐蔽終端和暴露終端問題也是多跳無線傳感器網絡MAC協定設計的重要任務之一。由多跳共享帶來的另一個問題是串音(overhearing)問題。當使用共享信道進行通信時，節點可能接收到不是發送給它的資料，進而造成“串音”。串音過程會造成大量的能耗，無線傳感器網絡的MAC協定必須設法協調各節點的收發，在發送的資料幀裡帶有目标節點的位址資訊等方法降低發生“串音”的機率。

   4) 、大規模自組織問題。

與其它無線個域網(WPAN)相比，傳感器網絡的規模更大，甚至多達成千上萬個節點。同時，節點可能由于電池耗盡、沒有連接配接上等各種原因退出網絡，節點位置也可能移動，新節點随時加入等，網絡的拓撲結構會呈現出動态的變化。是以，無線傳感器網絡的MAC協定必須具備可擴充性、分布性和自組織性。

對于網絡的公平性，在無線傳感器網絡中實作公平性的目的，一方面是為了賦予每個節點相同的信道通路機會，另一方面可以起到控制所有節點的能量均勻消耗，進而延長整個網絡壽命的作用。除上述各種問題之外，無線傳感器網絡中還存在消息延時問題、信道使用率問題和資料吞吐量問題。

3、無線傳感器網絡MAC協定分類

對于WSN系統，最重要的是能量的保持問題，故MAC的設計首先要考慮的問題就是能量效率的問題，而其它典型的性能名額如公平性、吞吐量及延時等是根據具體的應用系統而提出的不同要求。針對不同的傳感器網絡應用，提出了各種不同種類的MAC的協定，比如對于規模較大的無線傳感器網絡會采取競争的信道通路方式，而對于規模較小且時間要求較高的無線傳感器網絡采用排程機制等，不同的系統要求也表現出不同的MAC設計側重點。無線傳感器網絡的MAC協定主要分為四種：

  1) 、基于同步競争的MAC協定。基于競争的MAC協定采用按需使用信道，當節點需要發送資料時，通過競争方式使用無線信道，如果發送的資料發生了沖突，重發資料，直到資料發送成功或者丢棄資料。在同步競争MAC協定中，節點将時間劃分為若幹為時間幀，在每一幀中又劃分為一個工作時間段和一個休眠時段。節點在工作時段喚醒射頻子產品以收發資料，在休眠時段關閉射頻子產品以節約能源。這類協定的一個特點就是要求所有節點同步到一個共同的時間，這樣網絡中所有節點在相同時間喚醒競争使用信道。一般來說同步競争類協定需要适度的全局時鐘同步。因為節點同時工作，因而該類協定信道效率較高；但是随之而來的一個缺點就是競争和沖突比較嚴重。同步競争類協定從SMAC[27’28】發展而來，還有TMAC[301、PMAC[311、Sift[321等改進協定。

  2)、基于異步競争MAC協定。在異步競争MAC協定中，所有節點維持自己獨立的工作周期，當節點醒來後随即競争信道。在該類協定中由于收發雙方不同步，因而發送節點發出資料時接收節點可能正處于休眠狀态，是以需要使用一種低功耗偵聽(Low Power Listening，LPL，又稱為前導序列技術)方式來喚醒接收節點15引。相比于同步協定，異步協定不需要維持節點同步，但需要額外的喚醒能耗。異步競争協定主要有：BMAC[331、WiseMAC[341、XMACl3 51、DFP．MACl361、MFP．MAC[37]、DPS．MAC[3钔、RI．MAC[391、RP_MACt40]、AMAC[41]等協定。

  3)、 基于排程的MAC協定。排程類協定的目的就是根據一個設定的計劃表來協調網絡中各節點工作，這個計劃表可以是靜态預先配置設定也可以是動态實時配置設定。根據使用的技術手段，排程類協定可以分為基于時分複用(TDMA)、碼分複用(CDMA)和頻分複用(FDMA)技術的協定。但是由于硬體條件限制，排程類協定在無線傳感器網絡中主要指基于TDMA的協定。TDMA的思想就是将不同的信号互相交織在不同的時間段内，沿着同一信道傳輸。

在無線傳感器網絡中的TDMA機制就是為每個節點配置設定獨立的時隙用于發送資訊，而節點在其它時隙轉入休眠狀态。TDMA機制沒有競争的碰撞重傳問題，資料傳輸不需要過多的控制資訊，這些特點滿足了無線傳感器網絡MAC節能的要求。但是TDMA機制需要節點之間比較嚴格的時間同步，而且TDMA機制在網絡擴充性方面存在不足：很難調整時間幀的長度和時隙的配置設定，對于傳感器網絡的節點移動、節點失效等動态拓撲結構适應性較差，TDMA機制的信道使用率較低，對于節點發送資料量的變化也不敏感。典型的基于TDMA機制的MAC包括[TRAMA]431、LMAC[441、DMAC[451、AI-MAC[銅、TDMA-ASAPt471、LEACH[60]等協定。

  4) 、基于聯合設計的MAC協定。有時候為了既節能又保證系統的可擴充性，采取競争機制CSMA和時分複用TDMA相結合的混合MAC機制，典型的基于聯合設計的MAC協定有IEEE 802．1 5．4[71、ZMACl48]、SCP．MAC[49]、Funneling．MAC[501、I．MACt511、Crank．Shaftt521、TH．MACt53]協定等。

4、CSMA／CA機制介紹

在IEEE802．15．4标準中，MAC機制采用的是CSMA／CA機制通路信道，這個機制采用以超幀為周期組織無線傳感器網絡内節點間的通信。每個超幀都從協調器發出信标幀開始，這個信标幀中包含了超幀将持續的時間以及對這段時間的配置設定等資訊。網絡中的普通節點接收到協調器發出的信标幀後，就可以根據其中的内容安排自己的任務。超幀将通信時間劃分成活躍(Active)與不活躍(hacfive)兩個部分。在不活躍期間，PAN網絡中的裝置不會通信，進而可以進入休眠狀态以節省能量。

超幀的活躍期間劃分為三個階段：信标幀發送時段、競争通路時段(CAP)、非競争通路時段(CFP)。超幀的活躍部分被劃分為16個等長的時隙，每個時隙的長度、競争通路時段包含的時隙數等參數，都由協調器設定，并通過超幀開始時發出的信标幀廣播到整個網絡。IEEE 802．15．4标準的CSMA/CA機制的結構圖如下所示：

在超幀的競争通路時段，IEEES02．15．4網絡節點使用帶時隙(Slotted)的CSMA／CA通路機制，并且節點間的通信都須在競争通路時段結束前完成。對于實時性要求較高的網絡，會采用CFP階段的GTS機制，即在非競争時段，協調器根據節點申請GTS的情況，将非競争時段劃分成若幹個GTS(一般是7個)。每個GTS由若幹個時隙組成，時隙數目在裝置申請GTS時指定。如果節點申請GTS時隙成功，申請裝置就擁有了它指定的時隙數目，這其實就是前面所提到的分時複用的MAC通路方式。

如圖第一個GTS由時隙11．13構成，第二個GTS由時隙14．15構成。每個GTS中的時隙都指定配置設定給了時隙申請裝置，因而不需要競争信道。超幀中規定非競争時段必須跟在競争時段後面。競争時段的功能包括網絡裝置可以自由收發資料，域内裝置向協調器申請GTS時段，新裝置加入目前PAN網絡等。非競争時段由協調器指定的裝置發送或者接收資料包。從上述來看，IEEE 802．15．4的MAC機制實際上是一個組合的MAC機制，如2．3節分類所示，CAP階段是基于同步競争的MAC，CFP階段是基于TDMA方式的MAC。但是很多時候沒有使用GTS機制，因為CSMA／CA本身就是針對網絡規模較大、節點較多的場合，而GTS機制的容量不大，實用性較差，隻是在視訊流的傳輸或者其它實時性要求的場合中會用到這個機制。如果某個裝置在非競争階段一直處在接收階段，那麼擁有GTS使用權的裝置就可以在GTS階段直接向該裝置發送消息。

IEEE 802．15．4的無線傳感器網絡中存在三種資料傳輸方式和兩種拓撲結構：星形拓撲網絡中存在的節點發送資料給協調器、協調器發送資料給節點這兩種傳輸方式，點對點拓撲網絡除了前兩種傳輸方式外，還有對等節點之間的資料傳輸第三種傳輸方式。在無線傳感器網絡中，存在兩種通信模式：信标使能通信和信标不使能通信。在信标使能的網絡中，協調器定時廣播信标幀。各個節點之間通信使用基于時隙的CSMA／CA信道通路機制，網絡中的節點都通過協調器發送的信标幀進行同步(實際上就是同步競争模式)。在時隙CSMA／CA機制下，每當節點需要發送資料幀或指令幀時，它首先定位下一個時隙的邊界，然後等待随機數目的時隙(Backoff過程)。退避機制完畢後，節點開始檢測信道狀态(CCA，Clear Channel Accessments)：如果信道空閑，節點就在下一個時隙邊界開始發送資料；如果信道忙，裝置需要重新等待随機數目個時隙，再檢查信道狀态，重複這個過程知道有空閑信道出現。在信标不使能的通信網絡中，網絡協調器不發送信标幀，各個裝置使用非分時隙的CSMA／CA機制通路信道(實際上就是異步競争的通路方式)。

5、成品方案