一种多信道混合方式无线传感器网络mac协议

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1、一种多信道混合方式无线传感器网络MAC协议　　摘要：为了提高无线传感器网络的吞吐量，降低时延，本文设计了一种多信道MAC协议——MCHMAC。它采用调度和竞争访问机制相结的混合方式来传输信息，通过动态调整节点的活跃与睡眠状态的时长来节省能量。MCHMAC使用信道状态估计算法对信道进行评估，利用信道调度表来为节点调度状态最优的信道。仿真实验结果证明，本协议提高了吞吐量，降低了网络时延。关键词：无线传感器网络；MAC协议；多信道；动态调整；混合方式中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2013）07-0044-040引言随着人们对周围信息的

2、需求不断增大，无线传感器网络会被应用到各种环境之中。无线传感器网络所承载的信息也会也来越多，对网络的实时性及带宽会要求更高。由于无线传感器网络中的节点是由电池供电，能量有限，为了维持节点较长的生命周期，很多MAC协议忽视了网络对实时性及带宽的需求。事实上，必须重新考虑协议的设计，使网络既能保持较长的生命周期，又能减少延迟，兼顾实时性和吞吐量。121相关工作目前的无线传感器网络MAC协议按信道类型分为单信道与多信道。单信道类型的MAC协议的所有节点都在一个信道上，节点要监听信道的状态，在信道空闲时传输数据。而多信道则将一个频段分为多个小的信道，节点可以有选择地选择其

3、中的一个或多个进行数据接收与传送。这样就可以在一个时间片槽内传输多路信息，提高了网络的带宽与吞吐率。显然，多信道的协议设计更能满足网络对数据传输量的需要。无线传感器网络的MAC协议的信道访问策略主要有基于竞争的方式、基于调度的方式以及混合的方式。竞争方式的协议简单，利于实现，不需要全局网络信息，拓展性良好，但节点需要监听信道的状态，长时间的无用的监听浪费了节点的能量。基于调度的方式可以分时槽地进行数据传输，减少了无用的监听及数据的冲突，节省了能量，但基于调度式的方法实现复杂，需要时间同步，拓展性不好。而混合了两种方式的混合协议可以吸取它们双方的优点，再通过适当的组

4、合方式尽量减小它们的弱点对网络性能的影响。12在无线传感器网络领域，S-MAC[1]协议是最为经典的基于竞争方式的MAC协议。S-MAC协议采用了睡眠周期的方式来节省能量，极大地提高了网络节点的生存周期。之后的T-MAC[2]协议在S-MAC协议的基础上调整了睡眠周期的时间长度，使睡眠周期随着网络状态可变，提高了节点的能量利用效率。EM-MAC[3]是一种多信道的基于调度方式的MAC协议，它采用接收端初始化与提前唤醒的调度方式，节省了能量。ZMAC[4]是一种结合CSMA与TDMA方式的混合协议。在网络低负载时，采用CSMA的方式，提高信道利用率，减少时延。在高负

5、载时，采用TDMA的方式，减少对信道的过度竞争产生的冲突与拥塞。IEEE802.15.4[5]定义的MAC协议也是一种典型的混合方式的MAC协议，它在超帧的状态下将工作周期分为两个阶段，即信道竞争接入阶段（ContentionAccessPeriod）和信道非竞争阶段（ContentionFreePeriod）。这种帧格式的方法较为灵活。2协议设计2.1帧结构本协议借鉴IEEE802.15.4的超帧格式，将超帧分为三个阶段，分别为信标阶段（Beacon）、活跃阶段（Active）和睡眠阶段（Sleep）。在信标阶段，汇聚节点广播信标数据包。在活跃阶段里，又分为两个

6、周期，为竞争访问周期（ContentionAccessPeriod，CAP）和调度访问周期（ScheduledAccessPeriod，SAP）。在竞争访问周期，采用带冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）的方式接入信道。在调度访问周期，采用时分多路访问（TDMA）的方式接入。超帧结构示意图如图1所示。图1超帧结构示意图12信标帧在超帧的最前端，标志着超帧的起始界限。本协议的信标帧除了包括自身的基本信息，如地址（Add）、类型（Type）、长度（Len）和校验信息（CRC）外，还携带了多样的控制信息（ControlMessages），减少了节点发送数据包的数

7、量，降低了数据冲突的概率，节省了能量。信标帧包含了竞争访问周期分配长度（CAPAssignList）和调度访问周期分配长度（SAPAssignList）及上次传输给汇聚节点的帧的确认信息（ACKMessages）。另外，信标帧还包含对活跃阶段和睡眠阶段的时间长度的动态调整信息列表（AdjustMessagesList）。信标帧的结构示意图如图2所示。2.2节点活跃与睡眠阶段的动态调整无线传感器网络中的节点能量有限，所以采用工作与睡眠交替进行的方式来节省能量。在活跃阶段，节点感应实时信息，并将感应信息发送给汇聚节点，同时节点也可以接收汇聚节点或其他节点发来的信息并进

8、行转发。而