HRC-MAC：一種基于CDMA的強實時無線傳感器MAC層協議算法

王中正王金星

（1.昆明理工大學信息工程與自動化學院昆明650500）（2.云南省計算機技術應用重點實驗室昆明650500）

HRC-MAC：一種基于CDMA的強實時無線傳感器MAC層協議算法

王中正1，2王金星1，2

（1.昆明理工大學信息工程與自動化學院昆明650500）（2.云南省計算機技術應用重點實驗室昆明650500）

在強實時WSN中，現有基于競爭的通訊協議（如TDMA等）實時性較低，主要表現于在同一時刻只有一個傳感器獨占信道，其他需傳輸數據的傳感器排隊等待，這無法滿足爆炸監測等應用。針對該現象論文提出了基于CDMA的HRC-MAC（hard real-time mac）協議算法，利用CDMA碼分復用的特點保證多個需傳輸數據的傳感器共享信道同時進行傳輸，從而有效地提高了網絡的實時性。實驗數據顯示該協議算法在網絡傳輸延時方面有很大優化，實現了時間的多路復用，達到了強實時的同步通信。

無線傳感器網絡；碼分多址；強實時通信；MAC協議

Class NumberTP212.9

1 引言

無線傳感器網絡（WSN，wireless sensor network）是由大量微型傳感器節點以各種分配方式組成，對數據進行采集、處理、并通過無線傳輸，以多跳和自組織方式構成的分布式網絡。其在軍事、防爆、工業、環境等領域都發揮著重要的作用，可對地震、溫度、噪聲、壓力、瓦斯濃度等現象進行實時監測，WSN是現代信息產業物聯網的重要組成部分［1］。而無線傳感器網絡中各種各樣的傳感器有著不同的功能與要求，其硬件裝置和軟件系統都不盡相同，傳感器網絡必然也會有不同的網絡協議平臺，所以只有對不同的應用進行特定分析，針對性地設計出更加適合此應用的節能高效WSN系統［2］。

目前，針對不同應用的特點國內外學者已經提出了很多MAC協議，從信道方面可以分為單信道和多信道兩種形式［3］，而普通的單信道MAC協議使用同一個信道傳輸各種數據，信道的利用率比較低，而且如果WSN的部署密度比較高的情況下，大量的數據包在傳輸過程中將會產生沖突與堆積，此時整個WSN的網絡吞吐量會很低；而多數的多信道MAC協議雖然在一定程度上增加了網絡的吞吐量，并且對延時進行了優化，但是其多信道隱藏端比較多，并且占用了大量的正交信道，甚至是會產生數據丟失等重要問題［4］。

防爆、礦井監控、實時工業控制等領域對WSN的實時性要求較高，以高爐防爆領域為例，在高爐內有大量的壓力、爆炸傳感器，在高爐發生危險之前，各類環境因素將會相互影響，各類監測數據都將同時發生劇變，多個傳感器將同時達到報警臨界值，每一個信息都不能排隊耽擱滯后，需在毫秒級的時間范圍內完成數據傳輸，以保障上層控制系統有足夠的時間對危險情況做出反應。而現有WSN所采用的網絡協議無法達到此程度的實時性，其主要原因在于：現有網絡協議多采用時分復用的方法，各傳感器節點競爭信道，在某一具體時刻中只有一個傳感器獨占通信信道，無法保證排隊等待中的傳感器數據傳輸的及時性［4］。

針對現有的各種基于競爭機制的MAC協議無法實現同步通信的問題，本文提出了一種基于CDMA的強實時性無線傳感器網絡MAC協議，該協議采用多路復用方式占用一個信道通過特定類型的編碼傳輸數據，實現了WSN的強實時同步通信。

2 相關工作

國內外學者針對降低無線傳感器網絡通信延遲、提高吞吐量、節省能耗等方面提出了一些MAC層協議。文獻［5］提出的S-MAC是最早提出關于同步的MAC協議，其利用占空比機制，可以使傳感器節點定時睡眠，節省能耗，但最高通信負載制約了其傳輸延時和整個無線傳感器網絡的吞吐量。文獻［6］是在S-MAC基礎上提出了T-MAC，改進了固定占空比這一方面，使其可以根據當前的數據自適應的調整流量負載，但因為節點早睡而會產生的傳感器數據堆積問題。文獻［7］提出的TF-MAC是一種混合型MAC協議，利用了當前的TDMA技術并做了一定改進，但其對傳感器節點與節點之間的時間同步問題要求較高。文獻［8］提出的MC-MAC協議使跳頻技術變為隨機，優化了傳感器網絡的通信延遲，但是其會占用很多的正交信道，使隱藏終端變得更多，并且對時間同步問題要求更高。文獻［9］提出的D-MAC協議是基于IEEE802.11協議利用樹狀結構調整了傳感器節點休眠方法，在一定程度上減少了通信延遲。文獻［10］提出的TR-MAC協議是基于TDMA技術對傳感器網絡做出改進，提前分配好時間槽，減少整個網絡的通信沖突，但是其存在時間同步問題，并且因為要提前分配好時間槽，在分配調度問題上資源消耗較大。文獻［11］提出一種Z-MAC協議采用樹狀結構競爭機制，TDMA和CSMA方式配合使用，利用周期性時隙方式使用預先時間表機制，使每個節點都知道鄰居節點的時間表，整個無線傳感器網絡的信息調度比較靈活，不僅提高信道利用率，而且在通信延遲和吞吐量方面都有很大優化，但是其能耗開銷比較大。文獻［12］提出的TC2-MAC協議網絡利用分簇體系結構，通過周期性調度方式利用TDMA和CSMA/CA的優點綜合使用，將大小相等的時隙交叉編排，即使不同用戶之間存在差異性，QOS需求都能得到很好的支持，并且減少了信道中信息碰撞，自適應流量動態變化更高，提高了網絡效率，節省能耗。

3 模型建立

在基于CDMA強實時同步MAC協議中，實現發送和接收數據的同時進行，在同優先級的節點傳輸數據無需排隊等待并且不會相互干擾，但是由于3G移動通信技術覆蓋范圍廣，則要求在本無線傳感器網絡中建立一個屏蔽移動通信信號的封閉式空間，并且在封閉式空間內搭建一個微型基站，此微型基站起到WSN中匯聚節點的作用，而對于本協議的WSN所適用的礦井深處、高爐內部等環境下都很容易實現，如圖1所示，針對于本協議的網絡模型，做出了三點假設［13］：

1）在WSN中，建立一個能有效屏蔽外界通信頻段的封閉環境。

2）在封閉環境內部搭建一個微型基站，不僅能實現與各個節點進行多跳型的數收集與校對，并以有線方式與其他相關區域的無線傳感器網絡相連接。

圖1 網絡模型

3）在傳感器網絡部署完成后，網絡中所有節點應處于靜止狀態，并且所有節點都是連通的，連通整個網絡。

4 HRC-MAC協議設計

4.1 HRC-MAC幀結構設計

HRC-MAC用72個長為10ms的幀來構建，用一個幀的長度作為一個功率控制周期的方式來作為其時間調度機制，將每幀內劃分為15個大小相等的時隙，為了實現強實時性傳輸、發送數據不沖突的情況，將HRC-MAC協議劃的邏輯信道分為5個信道，分別是廣播公共控制信道、尋呼信道、前向接入信道、專用控制信道、專用業務信道，其中無線傳感器網絡的數據傳輸是通過專用業務信道來實現點對點傳輸［14］，數據傳輸所牽扯的上下行信道幀結構如圖2、圖3所示。

圖2 上行信道幀結構

圖3 下行信道幀結構

其中上行信道中專用物理數據信道（DPDCH）和專用物理控制信道（DPCCH）采用碼分復用和并行發送的機制，在下行信道中，專用物理數據信道和專用物理控制信道采用時分方式復用，由最初定義的幀長度為10ms，相當于一個功率控制周期，每個幀劃分為15個大小相等的時隙，每個時隙的長度為Tslot=2560chips。物理隨機接入信道幀結構如圖4所示。

圖4 物理隨機接入信道幀結構

4.2 多路復用方法

HRC-MAC協議采用碼分多址（CDMA）無線通信技術對無線傳感器的數據進行傳輸，將傳感器收集的數據信息賦予信號信息，再將其帶寬增大擴展變為高速偽隨機碼，以頻率的方式嵌入到載波，然后再將其發送，而無線傳感器接收終端利用唯一的偽隨機碼將其檢測并接受，然后對高速偽隨機碼解碼調制變為窄帶寬的信號信息。對于多種并行可變速率的業務通過在每個專用物理數據信道幀內時分復用，不同物理數據信道幀總比特率是可變的。每個傳感器連接僅分配一路專用物理數據信道，主公共控制信道待有尋呼信道和時分復用公共導頻信道，分配其固定速率并映射到專用數據信道，將主公共控制信道在無線傳感器網絡中分配同樣的信道碼，傳感器總能扎到尋呼信道，只有無線傳感器網絡接收數據段唯一的擾碼才能匹配成功，快速的接收信息。上行擴頻方法如圖5所示；上行調制過程如圖6所示。

圖5 上行擴頻方法

圖6 上行調制過程

5 仿真與分析

由于本協議算法是針對某些特定WSN實現強實時同步通信，暫時不考慮網絡能耗問題，我們采用OMNet++仿真工具對本文提出的HRC協議與INET FRAMEWORK框架中所給出的IEEE802.11N協議DCF方法（基于CSMA/CA）在網絡丟包率和網絡時延等方面與其他常見的協議算法進行仿真對比分析［15］，而現階段基于CSMA/CA和TDMA競爭機制的各種協議優化算法雖然是針對不同的方面進行的優化改進，但他們在信道接入方式方面大多是采用IEEE802.11N協議的DCF方式，而IEEE802.11N協議的DCF方法也已經是很成熟的技術，在不同QOS需求上都有很好的支持，所以本文僅將HRC協議與IEEE802.11N協議的DCF方法以20節點的無線傳感器網絡中進行比較分析。

為了簡化評估，并在相同的條件下進行比較分析，做出以下假設：

1）不考慮路由流量問題；

2）使用的路由協議可以得到無線傳感器網絡中隨機兩個節點的最短路徑；

3）節點和微型基站之間都能偵聽到雙方的收發數據狀態；

4）不考慮數據融合機制，微型基站在傳輸數據時僅進行透明轉發操作。

網絡的主要仿真參數如表1所示。

表1 主要仿真參數

5.1 網絡丟包率

圖7為本文HRC協議算法與IEEE802.11N協議在20、50、100節點三種可比性比較明顯的網絡中在不同發送速率的情況下網絡丟包率的對比圖，如圖7所示，IEEE802.11N協議在相同的發送速率下隨著網絡中節點數的增加，丟包率有所增加，并且隨著發送速率的增大，網絡的丟包率上升比較明顯，甚至是在50和100節點的網絡中，發送速率增大之后網絡丟包率將會達到百分之八十以上，本文HRC協議算法在不同節點的網絡中在不同的發送速率下網絡丟包率相對平穩，略優于IEEE802.11N協議，本協議算法在丟包率方面性能能滿足傳感器需求，符合實用效果。

圖7 丟包率

5.2 吞吐量

圖8為本文HRC協議與IEEE802.11N協議在在20、50、100節點三種可比性比較明顯的網絡中在不同發送速率的情況下網絡吞吐量的對比圖，如圖8所示，在網絡節點數增多的情況下IEEE802.11N協議的網絡吞吐量有所下降，且隨著發送速率的增快，網絡吞吐量的下降比較明顯，而本文HRC協議算法在不同節點的網絡中吞吐量明顯高于IEEE802.11N協議，并在20、50節點的網絡中隨著發送速率的增快，整個網絡的吞吐量變化十分平穩，而在100節點的網絡中吞吐量也只是略有降低，影響不大。

圖8 吞吐量

5.3 網絡延時

圖9為本文HRC協議算法與IEEE802.11N協議在不同節點的網絡中網絡延時的對比圖，如圖9所示，IEEE802.11N協議在網絡節點比較少時網絡延時比較小，而隨著網絡節點數的增多整個網絡的延時明顯增大，而在網絡節點數為500時，IEEE802.11N協議的網絡延時已經達到了450ms，而本文HRC協議在50-100節點的網絡中雖然比IEEE802.11N協議網絡延時略高，但隨著網絡中節點數的增多，網絡延時變化比較平穩，整體在50ms至1500ms范圍內，在網絡延時方面明顯優于IEEE802.11協議。

圖9 網絡延時對比圖

5.4 仿真結果分析

CDMA是無線網絡通信方面已經很成熟的技術，而本文協議算法是將cdma技術引入到無線傳感器網絡中實現強實時通信的目的，主旨在一些礦井、高爐內部等一些需要強實時傳遞數據的特定的環境所設計的一種無線傳感器協議，所以本文在網絡能耗上不做過多研究。而在日常生活中，人們利用手機打電話可以很穩定地實現很多人同時說話，并且兩人在通訊的過程中在發送語音數據信息的時候也能接收對方發送過來的語音數據信息，而且cdma技術在網絡延時方面有很好的QOS支持，故本文HRC協議算法在仿真結果顯示在網絡丟包率、吞吐量和網絡延時方面都非常穩定，并且優于IEEE802.11N協議。

6 結語

本文針對某些特定應用場合需要對不同數據信息進行強實時監測而提出的一種基于CDMA的HRC-MAC協議算法。HRC-MAC協議算法采用了碼分多址（cdma）技術對無線傳感器網絡的數據進行強實時、同步通信傳輸，仿真結果表明本文協議算法在網絡丟包率、吞吐量和網絡延時方面有很大程度的改善和提高，并且非常的穩定。

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HRC-MAC：A Hard Real Time Wireless Sensor MAC Layer Optimization Algorithm Based on CDMA

WANG Zhongzheng1，2WANG Jinxing1，2
（1.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500）（2.Computer Technology Application Key Lab of Yunnan Province，Kunming650500）

In the wireless sensor networks of hard real time，now communication protocol based on competition，such as Time Division Multiple Address（TDMA），has a low real time.There is only one sensor occupying one channel at the same time，while the other needing to transmit data wait in line，which cannot meet the demand of explosive monitoring and other applications.Aiming at the appearance，this paper proposes an optimization algorithm of HRC-MAC（hard real-time mac）based on Code Division Multiple Access（CDMA）.By using the feature of code division multiplexing on CDMA，many sensors that need transmitting data work at the same time can be ensured，which can improve the real time effective.Experimental data shows that the protocol algorithm optimizes much in the aspect of the net transmission delay，and makes the time multiplexing come true，which achieves the hard real-time synchronous communication.

WSN，CDMA，hard real-time，MAC protocol

TP212.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.020

2016年12月7日，

2017年1月19日

王中正，男，碩士研究生，研究方向：WSN，實時嵌入式軟件。王金星，男，碩士研究生，研究方向：嵌入式軟件復用。