三种工业用WSN的MAC层分析与对比.pdf

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1、三种工业用WSN的MAC层分析与对比王骏三种工业用WSN的MAC层分析与对比AnalysisandInter—comparisonontheMACLayerofThreeTypesofIndustrialWSN互蕴(上海工业自动化仪表研究院，上海200233)摘要：无线传感网络(WSN)目前在工业领域得到了越来越广泛的应用，主流的WSN协议包括ZigBee、WIA—PA和WirelessHART。这三种无线短程通信协议在物理层上均兼容IEEE802．15．4物理层(PHY)协议规范，但在媒介访问控制(MAC)及以上各层

2、则完全不同。通过对这三种WSN协议的MAC层迸行分析和对比，以及对MAC网络性能的模拟分析计算，给出了三种WSN的适用条件。关键词：ZigBeeWIA—PAWirelessHARTMAC传输延时带宽效率中图分类号：TP393+．1文献标志码：AAbstract：Thewirelesssensornetwork(WSN)hasbeenmorewidelyusedinindustrialfields，themainstreamWSNprotocolsincludeZigBee。WIA—PAandWirelessHART．T

3、hesethreeofthewirelessshort—rangecommunicationprotocolsareallcompatiblewithIEEE802．15．4-PHYprotocolspecificationonthephysicallayer，buttheyaretotallydifferentonthemediaaccesscontrol(MAC)layerandtheupperlayers．ThesethreeWSNprotocolsareanalyzedandcomparedontheMACla

4、yer，andthenetworkperformanceofMACissimulated，analyzedandcalculated，andtheapplicableconditionsofthesethreeWSNsaregiven．Keywords：ZigBeeWIA．PAWirelessHARTMACTransmissiondelayBandwidthefficiency0引言无线传感网络(wirelesssensornetworks，WSN)是针对低功耗、低速率以及短程的无线通信应用，适合于家庭自动化、环境监测

5、和健康监测等领域，在工业自动化领域也得到了越来越广泛的应用⋯。早期出现的WSN大多遵循ZigBee协议旧o，具有资源丰富、协议公开等特点，因此得到了广泛的应用，目前的工业应用大多也是采用Ziggee协议。但考虑到工业应用的特殊性(如电磁干扰、应用行规、互操作等)，国内外企业和组织于近几年开始工业用WSN的研究和标准制定工作。先后由HCF组织和中国WIA组织起草并由IEC发布的WirelessHART。31和WIA—PAHl标准，成为目前工业WSN研究与应用的新热点。本文通过对这三种协议的MAC层进行分析和对比，以帮助用

6、户选择合适的协议、产品及应用。1MAC层协议简介本文涉及的三种无线传感网络(WSN)协议均采用了IEEE802，15．4153标准中规定的物理层(PHY)，但在媒介访问控制(MAC)层及以上各层是不同的。由修改稿收到日期：2012一01—16。作者王骏(1978一)，男，2007年毕业于上海交通大学仪器仪表系，获硕士学位，高级工程师；主要从事智能仪表及现场总线的研究。《自动化仪表》第33卷第12期2012年12月于MAC层特性直接决定了网络性能(如吞吐量、数据传输率、时问特性等)，因此这三种协议具有不同的性能和表现。1

7、．1ZigBeeZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee协议于2003年由IEEE802．15．4和ZigBee联盟共同制定，目前为2007PRO版本。ZigBee协议主要由物理层、数据链路层、网络／安全层、应用框架及高层应用规范构成。其中PHY层与MAC层由IEEE定义，网络层与应用层由ZigBee联盟定义。由于ZigBee本身并没有规定PHY和MAC，而是完全采用IEEE802．15．4，因此，其MAC层性能与IEEE802．15．4一致。IEEE802．15

8、．4的MAC主要分为信标(Beacon)和非信标(Non—Beacon)两种工作模式饽1，而ZigBee主要采用的是非信标模式旧1，即基于CSMA．CA的抢占式通信模式，以简化网络复杂度。鉴于IEEE802．15．4的MAC不支持跳频操作，因此，某个ZigBee网络中的节点仅能在同一信道上保持通信(关于跳频不在本文研究范围内)。如