1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介及發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及微機(jī)電系統(tǒng)等學(xué)科互相融合、滲透而產(chǎn)生的新技術(shù)，廣泛使用在軍事國(guó)防領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療健康、工商服務(wù)、反恐抗災(zāi)等諸多領(lǐng)域，幾乎涵蓋了生活中的方方面面。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)隨機(jī)部署的節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信的方式自組成網(wǎng)，完成對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)、采集和傳輸。研究高效、節(jié)能的介質(zhì)訪問(wèn)控制(MediumAccess Control，MAC)協(xié)議是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命、提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的有效途徑。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。最早開(kāi)始無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的是美國(guó)軍方于20世紀(jì)90年代，資助了REMBASS、TRSS、SSW、SensorlT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、NEST等研究項(xiàng)目。此后美國(guó)國(guó)家自然基金委員會(huì)設(shè)立了大量與其相關(guān)的項(xiàng)目，如FireBug、CENS等。美國(guó)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(kāi)展了WSN的研究，與WSN相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)出臺(tái)，如IEEE802．15．4、WirelessHART[101、610wpan／ISAl 00[11]等。在我國(guó)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)1 999年首次正式出現(xiàn)在中科院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。

2006年，政府將發(fā)展WSN列入未來(lái)15年的發(fā)展綱要，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海微系統(tǒng)所、中科院計(jì)算技術(shù)研究所、軟件所、聲學(xué)所、微電子所、沈陽(yáng)自動(dòng)化所等單位相繼開(kāi)展了WSN基礎(chǔ)理論研究，初步建立WSN系統(tǒng)研究平臺(tái)，在節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、覆蓋、協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理等方面取得了重要成果Il21。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用早已經(jīng)由軍事國(guó)防領(lǐng)域擴(kuò)展到環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療健康、工商服務(wù)、反恐抗災(zāi)等諸多領(lǐng)域，使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下都能夠獲取大量翔實(shí)可靠的信息，最終成為一種“無(wú)處不在’的傳感技術(shù)。

2、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)物理層傳輸原始比特流的功能，將物理層提供的可能出錯(cuò)的物理連接改造成邏輯上無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為一條無(wú)差錯(cuò)的鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供透明的和可的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、媒體接入和差錯(cuò)控制，保證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)以及點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，因此其數(shù)據(jù)鏈路層主要研究媒體接入和差錯(cuò)控制的問(wèn)劇無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層研究的的重點(diǎn)是介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)協(xié)議，因?yàn)樗看罅抗?jié)點(diǎn)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)某種特定應(yīng)用目標(biāo)。作為一種能量有限的自組織網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)主要需要解決幾個(gè)方面的問(wèn)題。
? 1) 、能量問(wèn)題。

傳感器節(jié)點(diǎn)電池通常使用干電池、紐扣電池等供電，并且在很多時(shí)候電池不能更換或者電池耗盡時(shí)節(jié)點(diǎn)直接廢棄，從降低成本和系統(tǒng)易維護(hù)性的角度出發(fā)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中通常要以節(jié)能降耗、提高節(jié)點(diǎn)的壽命作為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層設(shè)計(jì)而言，能量受限帶來(lái)的主要影響包括節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制和協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)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(gè)狀態(tài)的能耗依次遞減。其中，休眠狀態(tài)的能耗遠(yuǎn)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(diǎn)盡可能處于休眠狀態(tài)。為了保證節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)接收到發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，MAC協(xié)議通常要采用“偵聽(tīng)／休眠”交替的策略，如果偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)造成能量浪費(fèi)；偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)短，又會(huì)增大消息延時(shí)。對(duì)于一個(gè)大規(guī)模密集自組織網(wǎng)絡(luò)而言，休眠時(shí)間長(zhǎng)短的合理選擇是比較困難的，這就需要合理的設(shè)計(jì)MAC機(jī)制使得這個(gè)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(wèn)題，如果在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)或喚醒后還未準(zhǔn)備就緒時(shí)，源節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送，接收端將無(wú)法正常接收，這會(huì)造成源節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)，稱之為“overemitting”，這就需要設(shè)計(jì)MAC機(jī)制時(shí)考慮同步協(xié)調(diào)或者節(jié)點(diǎn)喚醒機(jī)制。此外，能量受限及其它一些因素例如節(jié)點(diǎn)通信、計(jì)算、存儲(chǔ)能力有限等，這就決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC子層不能使用計(jì)算、處理過(guò)于復(fù)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(méi)有包含有效的數(shù)據(jù)，那么可認(rèn)為是～種能量損耗的傳輸過(guò)程。對(duì)于數(shù)據(jù)負(fù)載較低的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，MAC的控制包傳輸會(huì)造成較大的能耗，因?yàn)檫@些控制包相對(duì)于數(shù)據(jù)包來(lái)講已經(jīng)很大。
? ?2) 、網(wǎng)絡(luò)不均衡問(wèn)題。

在第一章已經(jīng)提及，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)、甚至是通信鏈路都會(huì)是不均衡的，這樣會(huì)造成整個(gè)信道的不均衡通信，引起不公平性、延時(shí)大、能耗大等問(wèn)題。在MAC設(shè)計(jì)中，應(yīng)該避免這些問(wèn)題。本文主要考慮的是節(jié)點(diǎn)不均衡帶來(lái)的異構(gòu)問(wèn)題。
? 3)、多跳共享問(wèn)題。

通信網(wǎng)絡(luò)的信道共享方式有三種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(如兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以半雙工方式共享一個(gè)信道)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(如蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站與移動(dòng)臺(tái))、多點(diǎn)共享(如以太網(wǎng))。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道共享方式為多跳共享方式，源節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)不受發(fā)射節(jié)點(diǎn)的影響，它們也可以同時(shí)發(fā)射信號(hào)，這實(shí)際上是一種信道的空間復(fù)用方式。由信道共享帶來(lái)的首要問(wèn)題是數(shù)據(jù)包碰撞沖突，即如果網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間利用同一信道傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它們會(huì)互相干擾導(dǎo)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的基本任務(wù)。

不僅如此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多路共享信道使用方式還會(huì)帶來(lái)隱蔽終端(HiddenTerminals)和暴露終端(Exposed Terminals)問(wèn)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(diǎn)都能正確感知信道狀態(tài)并做出合理的信道訪問(wèn)決策。而在多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，并非所有其它節(jié)點(diǎn)都能感知到該事件，這就會(huì)帶來(lái)隱蔽終端和暴露終端問(wèn)題。隱蔽終端是指在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之內(nèi)而在源節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)。暴露終端是指在源節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之內(nèi)而在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)。隱蔽終端和暴露終端會(huì)帶來(lái)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(diǎn)能量浪費(fèi)，可以采用RTS／CTS(請(qǐng)求發(fā)送／清除發(fā)送)握手機(jī)制、時(shí)分復(fù)用等方法來(lái)解決該問(wèn)題。解決隱蔽終端和暴露終端問(wèn)題也是多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。由多跳共享帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是串音(overhearing)問(wèn)題。當(dāng)使用共享信道進(jìn)行通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(guò)程會(huì)造成大量的能耗，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須設(shè)法協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)的收發(fā)，在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀里帶有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(wèn)題。

與其它無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大，甚至多達(dá)成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)可能由于電池耗盡、沒(méi)有連接上等各種原因退出網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)位置也可能移動(dòng)，新節(jié)點(diǎn)隨時(shí)加入等，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的變化。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須具備可擴(kuò)展性、分布性和自組織性。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的公平性，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)公平性的目的，一方面是為了賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn)相同的信道訪問(wèn)機(jī)會(huì)，另一方面可以起到控制所有節(jié)點(diǎn)的能量均勻消耗，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命的作用。除上述各種問(wèn)題之外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中還存在消息延時(shí)問(wèn)題、信道利用率問(wèn)題和數(shù)據(jù)吞吐量問(wèn)題。

3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類

對(duì)于WSN系統(tǒng)，最重要的是能量的保持問(wèn)題，故MAC的設(shè)計(jì)首先要考慮的問(wèn)題就是能量效率的問(wèn)題，而其它典型的性能指標(biāo)如公平性、吞吐量及延時(shí)等是根據(jù)具體的應(yīng)用系統(tǒng)而提出的不同要求。針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提出了各種不同種類的MAC的協(xié)議，比如對(duì)于規(guī)模較大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)采取競(jìng)爭(zhēng)的信道訪問(wèn)方式，而對(duì)于規(guī)模較小且時(shí)間要求較高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用調(diào)度機(jī)制等，不同的系統(tǒng)要求也表現(xiàn)出不同的MAC設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議主要分為四種：

? 1) 、基于同步競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。

基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議采用按需使用信道，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用無(wú)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(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)將時(shí)間劃分為若干為時(shí)間幀，在每一幀中又劃分為一個(gè)工作時(shí)間段和一個(gè)休眠時(shí)段。

節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)段喚醒射頻模塊以收發(fā)數(shù)據(jù)，在休眠時(shí)段關(guān)閉射頻模塊以節(jié)約能源。這類協(xié)議的一個(gè)特點(diǎn)就是要求所有節(jié)點(diǎn)同步到一個(gè)共同的時(shí)間，這樣網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在相同時(shí)間喚醒競(jìng)爭(zhēng)使用信道。一般來(lái)說(shuō)同步競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議需要適度的全局時(shí)鐘同步。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)同時(shí)工作，因而該類協(xié)議信道效率較高；但是隨之而來(lái)的一個(gè)缺點(diǎn)就是競(jìng)爭(zhēng)和沖突比較嚴(yán)重。同步競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議從SMAC[27’28】發(fā)展而來(lái)，還有TMAC[301、PMAC[311、Sift[321等改進(jìn)協(xié)議。

? 2)、基于異步競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議。

在異步競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議中，所有節(jié)點(diǎn)維持自己獨(dú)立的工作周期，當(dāng)節(jié)點(diǎn)醒來(lái)后隨即競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)接收節(jié)點(diǎn)可能正處于休眠狀態(tài)，所以需要使用一種低功耗偵聽(tīng)(Low Power Listening，LPL，又稱為前導(dǎo)序列技術(shù))方式來(lái)喚醒接收節(jié)點(diǎn)15引。相比于同步協(xié)議，異步協(xié)議不需要維持節(jié)點(diǎn)同步，但需要額外的喚醒能耗。異步競(jìng)爭(zhēng)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(gè)設(shè)定的計(jì)劃表來(lái)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)工作，這個(gè)計(jì)劃表可以是靜態(tài)預(yù)先分配也可以是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(shí)分復(fù)用(TDMA)、碼分復(fù)用(CDMA)和頻分復(fù)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要指基于TDMA的協(xié)議。TDMA的思想就是將不同的信號(hào)相互交織在不同的時(shí)間段內(nèi)，沿著同一信道傳輸。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的TDMA機(jī)制就是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的時(shí)隙用于發(fā)送信息，而節(jié)點(diǎn)在其它時(shí)隙轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。TDMA機(jī)制沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的碰撞重傳問(wèn)題，數(shù)據(jù)傳輸不需要過(guò)多的控制信息，這些特點(diǎn)滿足了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC節(jié)能的要求。但是TDMA機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步，而且TDMA機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在不足：很難調(diào)整時(shí)間幀的長(zhǎng)度和時(shí)隙的分配，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、節(jié)點(diǎn)失效等動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差，TDMA機(jī)制的信道利用率較低，對(duì)于節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化也不敏感。典型的基于TDMA機(jī)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(jì)的MAC協(xié)議。

有時(shí)候?yàn)榱思裙?jié)能又保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，采取競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制CSMA和時(shí)分復(fù)用TDMA相結(jié)合的混合MAC機(jī)制，典型的基于聯(lián)合設(shè)計(jì)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(jī)制介紹

在IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中，MAC機(jī)制采用的是CSMA／CA機(jī)制訪問(wèn)信道，這個(gè)機(jī)制采用以超幀為周期組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的通信。每個(gè)超幀都從協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀開(kāi)始，這個(gè)信標(biāo)幀中包含了超幀將持續(xù)的時(shí)間以及對(duì)這段時(shí)間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)。超幀將通信時(shí)間劃分成活躍(Active)與不活躍(hacfive)兩個(gè)部分。

在不活躍期間，PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備不會(huì)通信，從而可以進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。超幀的活躍期間劃分為三個(gè)階段：信標(biāo)幀發(fā)送時(shí)段、競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(CAP)、非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(CFP)。超幀的活躍部分被劃分為16個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度、競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段包含的時(shí)隙數(shù)等參數(shù)，都由協(xié)調(diào)器設(shè)定，并通過(guò)超幀開(kāi)始時(shí)發(fā)出的信標(biāo)幀廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖如下所示：

在超幀的競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段，IEEES02．15．4網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用帶時(shí)隙(Slotted)的CSMA／CA訪問(wèn)機(jī)制，并且節(jié)點(diǎn)間的通信都須在競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段結(jié)束前完成。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的網(wǎng)絡(luò)，會(huì)采用CFP階段的GTS機(jī)制，即在非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段，協(xié)調(diào)器根據(jù)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)GTS的情況，將非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段劃分成若干個(gè)GTS(一般是7個(gè))。每個(gè)GTS由若干個(gè)時(shí)隙組成，時(shí)隙數(shù)目在設(shè)備申請(qǐng)GTS時(shí)指定。如果節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)GTS時(shí)隙成功，申請(qǐng)?jiān)O(shè)備就擁有了它指定的時(shí)隙數(shù)目，這其實(shí)就是前面所提到的分時(shí)復(fù)用的MAC訪問(wèn)方式。如圖3．1中第一個(gè)GTS由時(shí)隙11．13構(gòu)成，第二個(gè)GTS由時(shí)隙14．15構(gòu)成。每個(gè)GTS中的時(shí)隙都指定分配給了時(shí)隙申請(qǐng)?jiān)O(shè)備，因而不需要競(jìng)爭(zhēng)信道。

超幀中規(guī)定非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段必須跟在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段后面。競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段的功能包括網(wǎng)絡(luò)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(qǐng)GTS時(shí)段，新設(shè)備加入當(dāng)前PAN網(wǎng)絡(luò)等。非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)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(lái)看，IEEE 802．15．4的MAC機(jī)制實(shí)際上是一個(gè)組合的MAC機(jī)制，如2．3節(jié)分類所示，CAP階段是基于同步競(jìng)爭(zhēng)的MAC，CFP階段是基于TDMA方式的MAC。但是很多時(shí)候沒(méi)有使用GTS機(jī)制，因?yàn)镃SMA／CA本身就是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、節(jié)點(diǎn)較多的場(chǎng)合，而GTS機(jī)制的容量不大，實(shí)用性較差，只是在視頻流的傳輸或者其它實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)合中會(huì)用到這個(gè)機(jī)制。如果某個(gè)設(shè)備在非競(jìng)爭(zhēng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在三種數(shù)據(jù)傳輸方式和兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中存在的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)這兩種傳輸方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)除了前兩種傳輸方式外，還有對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谌N傳輸方式。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，存在兩種通信模式：信標(biāo)使能通信和信標(biāo)不使能通信。在信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器定時(shí)廣播信標(biāo)幀。各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信使用基于時(shí)隙的CSMA／CA信道訪問(wèn)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)幀進(jìn)行同步(實(shí)際上就是同步競(jìng)爭(zhēng)模式)。在時(shí)隙CSMA／CA機(jī)制下，每當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時(shí)，它首先定位下一個(gè)時(shí)隙的邊界，然后等待隨機(jī)數(shù)目的時(shí)隙(Backoff過(guò)程)。退避機(jī)制完畢后，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始檢測(cè)信道狀態(tài)(CCA，Clear Channel Accessments)：如果信道空閑，節(jié)點(diǎn)就在下一個(gè)時(shí)隙邊界開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙，設(shè)備需要重新等待隨機(jī)數(shù)目個(gè)時(shí)隙，再檢查信道狀態(tài)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程知道有空閑信道出現(xiàn)。在信標(biāo)不使能的通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器不發(fā)送信標(biāo)幀，各個(gè)設(shè)備使用非分時(shí)隙的CSMA／CA機(jī)制訪問(wèn)信道(實(shí)際上就是異步競(jìng)爭(zhēng)的訪問(wèn)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(luò)系統(tǒng)模塊，MAC層采用CSMA/CA防沖突機(jī)制，完美解決多設(shè)備相互沖突問(wèn)題，同時(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可配置為低功耗類型，無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)期間設(shè)備自動(dòng)休眠以節(jié)省系統(tǒng)功耗，完美適用于電池設(shè)備供電場(chǎng)景。同時(shí)，所有操作配置采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AT指令，極大簡(jiǎn)化用戶操作，適用于多種無(wú)線通訊組網(wǎng)場(chǎng)景。

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