随机接入移动无线传感器网络快速组网媒体访问控制

摘 要：基于非时隙CSMA/CA随机接入机制的IEEE802.15.4MAC协议组网耗时过长，不能满足自组网实时通信应用需求。针对这一问题，分析了MAC组网流程中各步骤所耗时间，提出一种新的快速组网策略，采用预分配信道，将关联过程从间接传输简化为直接传输，改进CSMA/CA冲突避免机制以减少冲突。仿真实验和现场测试结果均表明，与IEEE 802.15.4协议相比，提出的快速组网策略使得信道冲突降低，组网时间更快，更符合实时通信需求。

关键词：移动无线传感器网络；快速组网；IEEE802.15.4MAC；非时隙CSMA/CA；组网时间

0 引言

移动无线传感器网络（Mobile Wireless Sensor Network， MWSN）因其部署灵活、自组织和网络态势感知能力等特点，应用日益广泛。在战场和灾害感知等紧急实时应用中，由于环境复杂多变，外部干扰强烈，网络结构频繁变化，需要网络具有快速组网和再入网能力。当前MWSN普遍采用IEEE802.15.4[1] 媒体访问控制（Media Access Control，MAC）协议进行组网通信，按应用需求可选用基于时隙或非时隙的载波监听多路复用/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）算法。基于时隙的CSMA/CA采用超帧（Superframe）结构，利用信标帧（Beacon）进行网络时间同步，这种网络也叫信标网络。非时隙CSMA/CA算法则完全随机竞争接入信道通信，节点间无需时间同步。文献[2]对IEEE802.15.4基于时隙的CSMA/CA机制进行分析和改进以提高信道利用率。文献[3]提出一种基于非信标模式IEEE802.15.4MAC下的随机模型，给定节点数和包速率，可以预测丢包率和延迟。文献[4]提出一种饱和吞吐量状态下的非时隙CSMA/CA算法分析模型，利用信道检测结果作为动态速率控制反馈机制，并开发一种基于时间驱动的非信标802.15.4MAC仿真器。文献[5]基于M/G/1队列系统提出一种IEEE802.15.4非时隙CSMA/CA数值模型，用来分析和获得延迟、丢包和能量等性能指标。文献[6]对非时隙IEEE802.15.4网络的吞吐量和延迟性能进行专门分析。文献[7-8]则对多跳IEEE802.15.4网络性能进行分析和建模。

然而目前关于IEEE802.15.4MAC方面的研究多是在建模和性能评估等方面[3-8]，对于协议改进和组网机制方面的研究涉及较少，尤其是对非信标网络组网优化方面的研究更少。文献[9]仅针对IEEE802.15.4信标网络的关联过程进行分析改进，减少了冗余原语和关联延迟，并通过仿真进行验证。文献[10]为了让移动Sink节点快速接入网络，删除了802.15.4MAC的关联过程。文献[11]对非信标模式传感器网络组网过程进行分析，通过地址预分配策略省略关联过程从而缩短组网时间；然而该方法需要在网络部署前对每个节点进行配置，并不适应自组网的需求，此外也未分析冲突退避机制对组网的影响。因此本文对基于非时隙CSMA/CA随机接入算法的移动传感器网络MAC组网流程进行分析和优化，并对信道接入机制进行改进，以降低冲突概率，减少组网时间，提高组网效率。

1 IEEE802.15.4组网流程

在IEEE802.15.4非信标网络下，协议采用基于非时隙CSMA/CA机制随机接入无线信道进行组网和通信。组网节点分为协调器和终端节点两类，协调器用于建立网络，包括配置信道和个域网（Personal Area Network，PAN）、分配地址等，并作为网络中心控制网络通信，终端节点搜索并加入网络。这种集中式的组网策略便于网络维护和安全认证。对终端节点来讲，入网流程包含主动信道扫描和关联过程两个阶段，其流程如图1所示。

2 组网时间分析

2.1 信道接入时间

IEEE802.15.4非信标网络采用非时隙CSMA/CA机制接入信道，可用一个随机过程{X（t）；t≥0}来描述某节点在t时刻所处的状态：

2.3 关联过程

终端节点完成主动信道扫描后，需要与协调器关联成功方能加入网络。如图3所示，终端节点向协调器发送关联请求消息，协调器收到该消息之后返回一个ACK应答。协调器需要判断当前PAN是否允许容纳该节点，且必须在TRW时间内做出决定：若协调器有足够的资源，在认证后给该节点分配一个网络地址，同时返回关联应答消息；如果协调器没有足够的资源，那么返回关联失败。

3 快速组网机制

3.1 缩短信道扫描过程

由前文可知，全部信道扫描耗时过长，为减少组网时间，一方面可预先指定信道，节省大量无效扫描时间，文献[11]通过实验对此进行了验证；另一方面可缩短单个信道的扫描周期，如将扫描周期ScanDuration从3减少为2，单信道扫描时间从138.24ms缩短到76.8ms，可节省61.44ms。

3.2 缩短关联过程

IEEE802.15.4MAC的关联过程采用间接传输的消息传递方式，发送关联请求的节点需要等待TRW之后主动请求协调器发送关联应答，等待时间长达491.52ms，严重影响节点组网效率。本文采用直接传输方式进行关联应答，入网节点向PAN协调器发送关联请求，协调器在接收并判定完毕后立即返回关联应答消息，无需等待TRW时间，从而缩短关联过程。改进的关联过程如图4所示。

3.3 减少CSMA/CA冲突

信道冲突通常会导致传输失败，如能够有效降低信道扫描或关联过程中冲突发生的概率，则可减少甚至避免重复扫描信道或关联，从而节省大量时间。

通常CSMA/CA协议容易发生两类冲突：一是由隐藏终端导致的冲突，二是两个节点选择相同的回退周期导致冲突。由于没有采用握手机制，IEEE802.15.4协议目前无法完全避免这两类冲突。然而，协议中还存在另外两种容易被忽略的信道冲突：一是ACK包与数据包（ACKDATA）冲突，二是数据包与数据包（DATADATA）冲突[5]。

3.3.1 ACKDATA冲突

IEEE802.15.4MAC协议中CCA检测信道需占用8Ts，而收发周转时间Tturn=12Ts，二者重合就会发生冲突。如图5（a）所示，两个节点A、B相邻，A向其他某节点发送数据，如果B在节点A进行收发切换时进行CCA检测到信道为Idle，于是节点B经过12Ts从CCA切换到发送状态并发送数据包，那么B发送的数据包就会与A接收的ACK包发生碰撞。此外，由于A未能收到ACK应答，会认为此前发送的数据包对方未收到，于是A会重复发送对方已接收的数据包。

4 实验及结果分析

本文首先通过仿真实验验证MAC快速组网策略对降低系统组网时间的贡献，然后在现场实验验证其在真实应用中的有效性。

4.1 仿真实验结果

在NS2网络仿真平台下，在10m×10m的仿真区域中部署15个节点组建星型网络，分别采用802.15.4MAC和本文提出的快速组网MAC机制进行比较实验。

鉴于文献[9]对信道预分配策略已进行分析和验证，这里不再重复研究和讨论。实验预分配信道11，ScanDuration参数配置为2，单信道扫描时间最长为76.8ms，macMinBE、macMaxBE、macMaxCSMABackoffs等参数默认配置（3，5，4）。

仿真实验结果如图7所示。采用改进MAC协议15个节点组网时间约1s，而802.15.4MAC组网则需10s以上，相比组网时间极大地缩短，组网效率提高90%以上。此外，在CCA分别为8Ts（CCA=8）和16Ts（CCA=16）下进行对比实验，结果表明当组网节点数量较少时两种情况下的效果相差不大，随着组网节点数量的增加，CCA=16时系统组网所耗时间更短。

4.2 节点实验结果

实验按照组网节点数量的不同分别开展测试，比较IEEE 802.15.4MAC和改进MAC机制的组网时间，每项测试进行10次取平均组网时间。

实验结果图8所示，采用802.15.4MAC协议时组网时间随节点数量增多呈阶梯状上升，而采用改进MAC协议的组网时间明显缩短，15个节点的组网时间在1s以内，而802.15.4标准协议组网时间则需数秒。

5 结语

本文提出一组移动无线传感器网络快速组网MAC优化策略，通过缩短信道接入时间，简化关联过程，改进CSMA/CA机制减少信道冲突，极大地缩短了节点的入网时间。仿真实验和节点实验均证明提出的快速组网策略可提高系统组网效率90%以上，可有效降低系统组网时间，更好地满足紧急部署和快速自恢复网络需求。在本文工作基础上，下一步研究多跳网络条件下的退避延迟优化和安全接入等问题。

参考文献：

[1] IEEE Std 802.15.42006 Part 15.4： Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） specifications for lowrate wireless personal area[S]. Piscataway： IEEE，2006.

[2] WONG C M， LEE B H. An Improvement of slotted CSMA/CA algorithm in IEEE 802.15.4 medium access layer[J]. Wireless Personal Communications， 2012， 63（4）：807-822.

[3] GOYAL M， ROHM D，XIE W， et al. A stochastic model for beaconless IEEE 802.15.4 MAC operation[J]. Computer Communications， 2011， 34（12）：1460-1474.

[4] LAUWENS B， SCHEERS B， van de CAPELLE A. Performance analysis of unslotted CSMA/CA in wireless networks[J]. Telecommunication Systems， 2010， 44（1/2）：109-123.

[5] KIM T O， PARK J S， CHONG L H， et al. Performance analysis of IEEE 802.15.4 nonbeacon mode with the unslotted CSMA/CA [J]. IEEE Communications Letters， 2008， 12（4）：238-240.

[6] LATR B， de MIL P， MOERMAN I， et al. Throughput and delay analysis of unslotted IEEE 802.15.4[J]. Journal of Networks， 2006， 1（1）：20-28.

[7] MARCO P D， PARK P， FISCHIONE C， et al. Analytical modeling of Multihop IEEE 802.15.4 networks [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61（7）：3191-3208.

[8] FEO E， CARO G A D. An analytical model for IEEE 802.15.4 nonbeacon enabled CSMA/CA in multihop wireless sensor networksI，DSIA0611[R]. Lugano， Switzerland：[s.n]， 2011.

[9] ZHANG F， WANG F， DAI B， et al. Performance evaluation of IEEE 802.15.4 beaconenabled association process[C]// Proceedings of 22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications. Piscataway：IEEE， 2008：541-546.

[10] CHEN C， MA J. Simulation study of AODV performance over IEEE 802.15.4 MAC in WSN with mobile sinks[C]// Proceedings of the 21nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications. Piscataway：IEEE， 2007：159-164.

[11] 孟繁亮，韩毅刚. IEEE802.15.4在快速组网中的研究和实现[J]. 南开大学学报，2010，43（3）：61-65.

[12] Atmel Corporation Ltd. ZigBitTM 700/800/900 MHz wireless modules ATZB900B0 datasheet [EB/OL]. [20090601]. http：///Images/doc8227.pdf