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、滲透而產生的新技術，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隨機部署的節點以無線通信的方式自組成網，完成對環境數據的長時間自動監測、采集和傳輸。研究高效、節能的介質訪問控制(MediumAccess Control，MAC)協議是延長網絡壽命、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范圍的廣泛關注。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。此后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相關的國際標準也陸續出臺，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》的信息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，政府將發展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、軟件所、聲學所、微電子所、沈陽自動化所等單位相繼開展了WSN基礎理論研究，初步建立WSN系統研究平臺，在節點體系結構、通信協議、覆蓋、協同設計和數據管理等方面取得了重要成果Il21。隨著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展到環境監測、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獲取大量翔實可靠的信息，最終成為一種“無處不在’的傳感技術。

2、無線傳感器網絡MAC協議介紹

數據鏈路層是OSI參考模型中的第二層，其作用是加強物理層傳輸原始比特流的功能，將物理層提供的可能出錯的物理連接改造成邏輯上無差錯的數據鏈路，使之對網絡層表現為一條無差錯的鏈路。數據鏈路層向網絡層提供透明的和可的數據傳送服務，主要負責數據流的多路復用、數據幀檢測、媒體接入和差錯控制，保證了無線傳感器網絡內點到點以及點到多點的連接。由于無線傳感器網絡通常具有低數據吞吐量、多跳信道共享、能量受限等特點，因此其數據鏈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數據鏈路層研究的的重點是介質訪問控制(MAC)協議，因為它要靠大量節點協同工作實現某種特定應用目標。作為一種能量有限的自組織網絡，無線傳感器網絡的MAC協議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干電池、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標。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調度機制和協議設計的復雜度。傳感器節點的無線通信模塊通常具有發送(TX)、接收(RX)、空閑(IDLE)和休眠(SLEEP)四種工作狀態，這四個狀態的能耗依次遞減。其中，休眠狀態的能耗遠低于其它狀態，只是其它狀態的能耗的幾百分之一。因此為了節能，通常希望節點盡可能處于休眠狀態。為了保證節點能夠及時接收到發送給它的數據，MAC協議通常要采用“偵聽／休眠”交替的策略，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，在休眠策略中還需要考慮收發同步問題，如果在目標節點處于休眠狀態或喚醒后還未準備就緒時，源節點就開始發送，接收端將無法正常接收，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、處理過于復雜的協議，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)中沒有包含有效的數據，那么可認為是～種能量損耗的傳輸過程。對于數據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數據包來講已經很大。

? ?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、甚至是通信鏈路都會是不均衡的，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臺)、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，源節點覆蓋范圍外的節點不受發射節點的影響，它們也可以同時發射信號，這實際上是一種信道的空間復用方式。由信道共享帶來的首要問題是數據包碰撞沖突，即如果網絡中的兩個節點在同一時間利用同一信道傳送數據時，它們會互相干擾導致數據包被破壞，被破壞的數據包一般直接丟棄，這樣就造成了這就造成巨大的能耗。

因此，有效地避免碰撞沖突是多跳無線傳感器網絡MAC協議的基本任務。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隱蔽終端(HiddenTerminals)和暴露終端(Exposed Terminals)問題。在單跳廣播信道中，數據包沖突是全局事件，所有節點都能正確感知信道狀態并做出合理的信道訪問決策。而在多跳傳感器網絡中，當某個源節點發送數據包時，并非所有其它節點都能感知到該事件，這就會帶來隱蔽終端和暴露終端問題。隱蔽終端是指在目標節點覆蓋范圍之內而在源節點覆蓋范圍之外的節點。

暴露終端是指在源節點覆蓋范圍之內而在目標節點覆蓋范圍之外的節點。隱蔽終端和暴露終端會帶來消息延遲和不必要的重發，從而造成信道利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、時分復用等方法來解決該問題。解決隱蔽終端和暴露終端問題也是多跳無線傳感器網絡MAC協議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數據，從而造成“串音”。串音過程會造成大量的能耗，無線傳感器網絡的MAC協議必須設法協調各節點的收發，在發送的數據幀里帶有目標節點的地址信息等方法降低發生“串音”的概率。

? ?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、沒有連接上等各種原因退出網絡，節點位置也可能移動，新節點隨時加入等，網絡的拓撲結構會呈現出動態的變化。因此，無線傳感器網絡的MAC協議必須具備可擴展性、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現公平性的目的，一方面是為了賦予每個節點相同的信道訪問機會，另一方面可以起到控制所有節點的能量均勻消耗，從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、信道利用率問題和數據吞吐量問題。

3、無線傳感器網絡MAC協議分類

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，而其它典型的性能指標如公平性、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的協議，比如對于規模較大的無線傳感器網絡會采取競爭的信道訪問方式，而對于規模較小且時間要求較高的無線傳感器網絡采用調度機制等，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協議主要分為四種：

1) 、基于同步競爭的MAC協議。基于競爭的MAC協議采用按需使用信道，當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道，如果發送的數據發生了沖突，重發數據，直到數據發送成功或者丟棄數據。在同步競爭MAC協議中，節點將時間劃分為若干為時間幀，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模塊以收發數據，在休眠時段關閉射頻模塊以節約能源。這類協議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爭使用信道。一般來說同步競爭類協議需要適度的全局時鐘同步。因為節點同時工作，因而該類協議信道效率較高；但是隨之而來的一個缺點就是競爭和沖突比較嚴重。同步競爭類協議從SMAC[27’28】發展而來，還有TMAC[301、PMAC[311、Sift[321等改進協議。

2)、基于異步競爭MAC協議。在異步競爭MAC協議中，所有節點維持自己獨立的工作周期，當節點醒來后隨即競爭信道。在該類協議中由于收發雙方不同步，因而發送節點發出數據時接收節點可能正處于休眠狀態，所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。相比于同步協議，異步協議不需要維持節點同步，但需要額外的喚醒能耗。異步競爭協議主要有：BMAC[331、WiseMAC[341、XMACl3 51、DFP．MACl361、MFP．MAC[37]、DPS．MAC[3鍆、RI．MAC[391、RP_MACt40]、AMAC[41]等協議。

3)、 基于調度的MAC協議。調度類協議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態預先分配也可以是動態實時分配。根據使用的技術手段，調度類協議可以分為基于時分復用(TDMA)、碼分復用(CDMA)和頻分復用(FDMA)技術的協議。但是由于硬件條件限制，調度類協議在無線傳感器網絡中主要指基于TDMA的協議。TDMA的思想就是將不同的信號相互交織在不同的時間段內，沿著同一信道傳輸。

在無線傳感器網絡中的TDMA機制就是為每個節點分配獨立的時隙用于發送信息，而節點在其它時隙轉入休眠狀態。TDMA機制沒有競爭的碰撞重傳問題，數據傳輸不需要過多的控制信息，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機制在網絡擴展性方面存在不足：很難調整時間幀的長度和時隙的分配，對于傳感器網絡的節點移動、節點失效等動態拓撲結構適應性較差，TDMA機制的信道利用率較低，對于節點發送數據量的變化也不敏感。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]等協議。

4) 、基于聯合設計的MAC協議。有時候為了既節能又保證系統的可擴展性，采取競爭機制CSMA和時分復用TDMA相結合的混合MAC機制，典型的基于聯合設計的MAC協議有IEEE 802．1 5．4[71、ZMACl48]、SCP．MAC[49]、Funneling．MAC[501、I．MACt511、Crank．Shaftt521、TH．MACt53]協議等。

4、CSMA／CA機制介紹

在IEEE802．15．4標準中，MAC機制采用的是CSMA／CA機制訪問信道，這個機制采用以超幀為周期組織無線傳感器網絡內節點間的通信。每個超幀都從協調器發出信標幀開始，這個信標幀中包含了超幀將持續的時間以及對這段時間的分配等信息。網絡中的普通節點接收到協調器發出的信標幀后，就可以根據其中的內容安排自己的任務。超幀將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網絡中的設備不會通信，從而可以進入休眠狀態以節省能量。

超幀的活躍期間劃分為三個階段：信標幀發送時段、競爭訪問時段(CAP)、非競爭訪問時段(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、競爭訪問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標幀廣播到整個網絡。IEEE 802．15．4標準的CSMA/CA機制的結構圖如下所示：

在超幀的競爭訪問時段，IEEES02．15．4網絡節點使用帶時隙(Slotted)的CSMA／CA訪問機制，并且節點間的通信都須在競爭訪問時段結束前完成。對于實時性要求較高的網絡，會采用CFP階段的GTS機制，即在非競爭時段，協調器根據節點申請GTS的情況，將非競爭時段劃分成若干個GTS(一般是7個)。每個GTS由若干個時隙組成，時隙數目在設備申請GTS時指定。如果節點申請GTS時隙成功，申請設備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復用的MAC訪問方式。

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中的時隙都指定分配給了時隙申請設備，因而不需要競爭信道。超幀中規定非競爭時段必須跟在競爭時段后面。競爭時段的功能包括網絡設備可以自由收發數據，域內設備向協調器申請GTS時段，新設備加入當前PAN網絡等。非競爭時段由協調器指定的設備發送或者接收數據包。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階段是基于同步競爭的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，只是在視頻流的傳輸或者其它實時性要求的場合中會用到這個機制。如果某個設備在非競爭階段一直處在接收階段，那么擁有GTS使用權的設備就可以在GTS階段直接向該設備發送消息。

IEEE 802．15．4的無線傳感器網絡中存在三種數據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數據給協調器、協調器發送數據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數據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：信標使能通信和信標不使能通信。在信標使能的網絡中，協調器定時廣播信標幀。各個節點之間通信使用基于時隙的CSMA／CA信道訪問機制，網絡中的節點都通過協調器發送的信標幀進行同步(實際上就是同步競爭模式)。在時隙CSMA／CA機制下，每當節點需要發送數據幀或命令幀時，它首先定位下一個時隙的邊界，然后等待隨機數目的時隙(Backoff過程)。退避機制完畢后，節點開始檢測信道狀態(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數據；如果信道忙，設備需要重新等待隨機數目個時隙，再檢查信道狀態，重復這個過程知道有空閑信道出現。在信標不使能的通信網絡中，網絡協調器不發送信標幀，各個設備使用非分時隙的CSMA／CA機制訪問信道(實際上就是異步競爭的訪問方式)。

5、成品方案

E70(433NWxxS)是成都億佰特自主研發的基于IEEE802.15.4協議上的傳感器星型網絡系統模塊，MAC層采用CSMA/CA防沖突機制，完美解決多設備相互沖突問題，同時節點設備可配置為低功耗類型，無數據收發期間設備自動休眠以節省系統功耗，完美適用于電池設備供電場景。同時，所有操作配置采用行業標準AT指令，極大簡化用戶操作，適用于多種無線通訊組網場景。

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