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1、無線傳感器網(wǎng)絡簡介及發(fā)展現(xiàn)狀
無線傳感器網(wǎng)絡是嵌入式系統(tǒng)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)及微機電系統(tǒng)等學科互相融合、滲透而產(chǎn)生的新技術(shù)，廣泛使用在軍事國防領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療健康、工商服務、反恐抗災等諸多領(lǐng)域，幾乎涵蓋了生活中的方方面面。無線傳感器網(wǎng)絡通過隨機部署的節(jié)點以無線通信的方式自組成網(wǎng)，完成對環(huán)境數(shù)據(jù)的長時間自動監(jiān)測、采集和傳輸。研究高效、節(jié)能的介質(zhì)訪問控制(MediumAccess Control，MAC)協(xié)議是延長網(wǎng)絡壽命、提高網(wǎng)絡實時性的有效途徑。
無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。最早開始無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)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(shè)立了大量與其相關(guān)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(guān)的國際標準也陸續(xù)出臺，如IEEE802．15．4、WirelessHART[101、610wpan／ISAl 00[11]等。
在我國，無線傳感器網(wǎng)絡1 999年首次正式出現(xiàn)在中科院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的信息與自動化領(lǐng)域研究報告中，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一。2006年，政府將發(fā)展WSN列入未來15年的發(fā)展綱要，清華大學、浙江大學、上海微系統(tǒng)所、中科院計算技術(shù)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(chǔ)理論研究，初步建立WSN系統(tǒng)研究平臺，在節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、覆蓋、協(xié)同設(shè)計和數(shù)據(jù)管理等方面取得了重要成果Il21。隨著無線傳感器網(wǎng)絡理論與技術(shù)的不斷成熟，其應用早已經(jīng)由軍事國防領(lǐng)域擴展到環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療健康、工商服務、反恐抗災等諸多領(lǐng)域，使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)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(shù)。
2、無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議介紹
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路，使之對網(wǎng)絡層表現(xiàn)為一條無差錯的鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡層提供透明的和可的數(shù)據(jù)傳送服務，主要負責數(shù)據(jù)流的多路復用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體接入和差錯控制，保證了無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)點到點以及點到多點的連接。由于無線傳感器網(wǎng)絡通常具有低數(shù)據(jù)吞吐量、多跳信道共享、能量受限等特點，因此其數(shù)據(jù)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層研究的的重點是介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議，因為它要靠大量節(jié)點協(xié)同工作實現(xiàn)某種特定應用目標。作為一種能量有限的自組織網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議設(shè)計主要需要解決幾個方面的問題。
? 1) 、能量問題。
傳感器節(jié)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(jié)點直接廢棄，從降低成本和系統(tǒng)易維護性的角度出發(fā)，網(wǎng)絡設(shè)計中通常要以節(jié)能降耗、提高節(jié)點的壽命作為重要設(shè)計目標。對無線傳感器網(wǎng)絡的MAC層設(shè)計而言，能量受限帶來的主要影響包括節(jié)點休眠調(diào)度機制和協(xié)議設(shè)計的復雜度。傳感器節(jié)點的無線通信模塊通常具有發(fā)送(TX)、接收(RX)、空閑(IDLE)和休眠(SLEEP)四種工作狀態(tài)，這四個狀態(tài)的能耗依次遞減。其中，休眠狀態(tài)的能耗遠低于其它狀態(tài)，只是其它狀態(tài)的能耗的幾百分之一。因此為了節(jié)能，通常希望節(jié)點盡可能處于休眠狀態(tài)。為了保證節(jié)點能夠及時接收到發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，MAC協(xié)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(guī)模密集自組織網(wǎng)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(shè)計MAC機制使得這個選擇更加合理優(yōu)化。另外，在休眠策略中還需要考慮收發(fā)同步問題，如果在目標節(jié)點處于休眠狀態(tài)或喚醒后還未準備就緒時，源節(jié)點就開始發(fā)送，接收端將無法正常接收，這會造成源節(jié)點的能量浪費，稱之為“overemitting”，這就需要設(shè)計MAC機制時考慮同步協(xié)調(diào)或者節(jié)點喚醒機制。此外，能量受限及其它一些因素例如節(jié)點通信、計算、存儲能力有限等，這就決定了傳感器網(wǎng)絡的MAC子層不能使用計算、處理過于復雜的協(xié)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(shù)據(jù)，那么可認為是～種能量損耗的傳輸過程。對于數(shù)據(jù)負載較低的無線傳感器網(wǎng)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(shù)據(jù)包來講已經(jīng)很大。
? ?2) 、網(wǎng)絡不均衡問題。
在第一章已經(jīng)提及，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)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(shè)計中，應該避免這些問題。本文主要考慮的是節(jié)點不均衡帶來的異構(gòu)問題。
? 3)、多跳共享問題。
通信網(wǎng)絡的信道共享方式有三種：點對點(如兩個節(jié)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(tǒng)中的基站與移動臺)、多點共享(如以太網(wǎng))。無線傳感器網(wǎng)絡的信道共享方式為多跳共享方式，源節(jié)點覆蓋范圍外的節(jié)點不受發(fā)射節(jié)點的影響，它們也可以同時發(fā)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(shù)據(jù)包碰撞沖突，即如果網(wǎng)絡中的兩個節(jié)點在同一時間利用同一信道傳送數(shù)據(jù)時，它們會互相干擾導致數(shù)據(jù)包被破壞，被破壞的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡MAC協(xié)議的基本任務。不僅如此，無線傳感器網(wǎng)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(shù)據(jù)包沖突是全局事件，所有節(jié)點都能正確感知信道狀態(tài)并做出合理的信道訪問決策。而在多跳傳感器網(wǎng)絡中，當某個源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，并非所有其它節(jié)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(jié)點覆蓋范圍之內(nèi)而在源節(jié)點覆蓋范圍之外的節(jié)點。
暴露終端是指在源節(jié)點覆蓋范圍之內(nèi)而在目標節(jié)點覆蓋范圍之外的節(jié)點。隱蔽終端和暴露終端會帶來消息延遲和不必要的重發(fā)，從而造成信道利用率降低和節(jié)點能量浪費，可以采用RTS／CTS(請求發(fā)送／清除發(fā)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(wǎng)絡MAC協(xié)議設(shè)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(jié)點可能接收到不是發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，從而造成“串音”。串音過程會造成大量的能耗，無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議必須設(shè)法協(xié)調(diào)各節(jié)點的收發(fā)，在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀里帶有目標節(jié)點的地址信息等方法降低發(fā)生“串音”的概率。
? ?4) 、大規(guī)模自組織問題。
與其它無線個域網(wǎng)(WPAN)相比，傳感器網(wǎng)絡的規(guī)模更大，甚至多達成千上萬個節(jié)點。同時，節(jié)點可能由于電池耗盡、沒有連接上等各種原因退出網(wǎng)絡，節(jié)點位置也可能移動，新節(jié)點隨時加入等，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)出動態(tài)的變化。因此，無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議必須具備可擴展性、分布性和自組織性。
對于網(wǎng)絡的公平性，在無線傳感器網(wǎng)絡中實現(xiàn)公平性的目的，一方面是為了賦予每個節(jié)點相同的信道訪問機會，另一方面可以起到控制所有節(jié)點的能量均勻消耗，從而延長整個網(wǎng)絡壽命的作用。除上述各種問題之外，無線傳感器網(wǎng)絡中還存在消息延時問題、信道利用率問題和數(shù)據(jù)吞吐量問題。
3、無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議分類
對于WSN系統(tǒng)，最重要的是能量的保持問題，故MAC的設(shè)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(jù)具體的應用系統(tǒng)而提出的不同要求。針對不同的傳感器網(wǎng)絡應用，提出了各種不同種類的MAC的協(xié)議，比如對于規(guī)模較大的無線傳感器網(wǎng)絡會采取競爭的信道訪問方式，而對于規(guī)模較小且時間要求較高的無線傳感器網(wǎng)絡采用調(diào)度機制等，不同的系統(tǒng)要求也表現(xiàn)出不同的MAC設(shè)計側(cè)重點。無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議主要分為四種：
1) 、基于同步競爭的MAC協(xié)議。基于競爭的MAC協(xié)議采用按需使用信道，當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生了沖突，重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或者丟棄數(shù)據(jù)。在同步競爭MAC協(xié)議中，節(jié)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(jié)點在工作時段喚醒射頻模塊以收發(fā)數(shù)據(jù)，在休眠時段關(guān)閉射頻模塊以節(jié)約能源。這類協(xié)議的一個特點就是要求所有節(jié)點同步到一個共同的時間，這樣網(wǎng)絡中所有節(jié)點在相同時間喚醒競爭使用信道。一般來說同步競爭類協(xié)議需要適度的全局時鐘同步。因為節(jié)點同時工作，因而該類協(xié)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(xié)議從SMAC[27’28】發(fā)展而來，還有TMAC[301、PMAC[311、Sift[321等改進協(xié)議。
2)、基于異步競爭MAC協(xié)議。在異步競爭MAC協(xié)議中，所有節(jié)點維持自己獨立的工作周期，當節(jié)點醒來后隨即競爭信道。在該類協(xié)議中由于收發(fā)雙方不同步，因而發(fā)送節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)時接收節(jié)點可能正處于休眠狀態(tài)，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(shù))方式來喚醒接收節(jié)點15引。相比于同步協(xié)議，異步協(xié)議不需要維持節(jié)點同步，但需要額外的喚醒能耗。異步競爭協(xié)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(xié)議。
3)、 基于調(diào)度的MAC協(xié)議。調(diào)度類協(xié)議的目的就是根據(jù)一個設(shè)定的計劃表來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡中各節(jié)點工作，這個計劃表可以是靜態(tài)預先分配也可以是動態(tài)實時分配。根據(jù)使用的技術(shù)手段，調(diào)度類協(xié)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(shù)的協(xié)議。但是由于硬件條件限制，調(diào)度類協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡中主要指基于TDMA的協(xié)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(nèi)，沿著同一信道傳輸。
在無線傳感器網(wǎng)絡中的TDMA機制就是為每個節(jié)點分配獨立的時隙用于發(fā)送信息，而節(jié)點在其它時隙轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。TDMA機制沒有競爭的碰撞重傳問題，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡MAC節(jié)能的要求。但是TDMA機制需要節(jié)點之間比較嚴格的時間同步，而且TDMA機制在網(wǎng)絡擴展性方面存在不足：很難調(diào)整時間幀的長度和時隙的分配，對于傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點移動、節(jié)點失效等動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)適應性較差，TDMA機制的信道利用率較低，對于節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)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(xié)議。
4) 、基于聯(lián)合設(shè)計的MAC協(xié)議。有時候為了既節(jié)能又保證系統(tǒng)的可擴展性，采取競爭機制CSMA和時分復用TDMA相結(jié)合的混合MAC機制，典型的基于聯(lián)合設(shè)計的MAC協(xié)議有IEEE 802．1 5．4[71、ZMACl48]、SCP．MAC[49]、Funneling．MAC[501、I．MACt511、Crank．Shaftt521、TH．MACt53]協(xié)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(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點間的通信。每個超幀都從協(xié)調(diào)器發(fā)出信標幀開始，這個信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡中的普通節(jié)點接收到協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)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(wǎng)絡中的設(shè)備不會通信，從而可以進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。
超幀的活躍期間劃分為三個階段：信標幀發(fā)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(shù)等參數(shù)，都由協(xié)調(diào)器設(shè)定，并通過超幀開始時發(fā)出的信標幀廣播到整個網(wǎng)絡。IEEE 802．15．4標準的CSMA/CA機制的結(jié)構(gòu)圖如下所示：
在超幀的競爭訪問時段，IEEES02．15．4網(wǎng)絡節(jié)點使用帶時隙(Slotted)的CSMA／CA訪問機制，并且節(jié)點間的通信都須在競爭訪問時段結(jié)束前完成。對于實時性要求較高的網(wǎng)絡，會采用CFP階段的GTS機制，即在非競爭時段，協(xié)調(diào)器根據(jù)節(jié)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(shù)目在設(shè)備申請GTS時指定。如果節(jié)點申請GTS時隙成功，申請設(shè)備就擁有了它指定的時隙數(shù)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(gòu)成，第二個GTS由時隙14．15構(gòu)成。每個GTS中的時隙都指定分配給了時隙申請設(shè)備，因而不需要競爭信道。超幀中規(guī)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(wǎng)絡設(shè)備可以自由收發(fā)數(shù)據(jù)，域內(nèi)設(shè)備向協(xié)調(diào)器申請GTS時段，新設(shè)備加入當前PAN網(wǎng)絡等。非競爭時段由協(xié)調(diào)器指定的設(shè)備發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)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(jié)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(wǎng)絡規(guī)模較大、節(jié)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(shè)備在非競爭階段一直處在接收階段，那么擁有GTS使用權(quán)的設(shè)備就可以在GTS階段直接向該設(shè)備發(fā)送消息。
IEEE 802．15．4的無線傳感器網(wǎng)絡中存在三種數(shù)據(jù)傳輸方式和兩種拓撲結(jié)構(gòu)：星形拓撲網(wǎng)絡中存在的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點這兩種傳輸方式，點對點拓撲網(wǎng)絡除了前兩種傳輸方式外，還有對等節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谌N傳輸方式。在無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器定時廣播信標幀。各個節(jié)點之間通信使用基于時隙的CSMA／CA信道訪問機制，網(wǎng)絡中的節(jié)點都通過協(xié)調(diào)器發(fā)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(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)目的時隙(Backoff過程)。退避機制完畢后，節(jié)點開始檢測信道狀態(tài)(CCA，Clear Channel Accessments)：如果信道空閑，節(jié)點就在下一個時隙邊界開始發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙，設(shè)備需要重新等待隨機數(shù)目個時隙，再檢查信道狀態(tài)，重復這個過程知道有空閑信道出現(xiàn)。在信標不使能的通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器不發(fā)送信標幀，各個設(shè)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(fā)的基于IEEE802.15.4協(xié)議上的傳感器星型網(wǎng)絡系統(tǒng)模塊，MAC層采用CSMA/CA防沖突機制，完美解決多設(shè)備相互沖突問題，同時節(jié)點設(shè)備可配置為低功耗類型，無數(shù)據(jù)收發(fā)期間設(shè)備自動休眠以節(jié)省系統(tǒng)功耗，完美適用于電池設(shè)備供電場景。同時，所有操作配置采用行業(yè)標準AT指令，極大簡化用戶操作，適用于多種無線通訊組網(wǎng)場景。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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