移动无线个人区域网络中MAC协议分析研究

：在分层移动节点的无线传感器网络中，网络的信息采集常常具有突发性和集中性。对低速无线个人区域网络IEEE802.15.4 MAC 进行研究，针对采用直接数据传输的CSMA-CA 机制在用户发送查询指令时，路由节点附近的传感器节点几乎同时进行数据采集和汇报，造成在传感器节点汇报数据时期出现大量的数据碰撞，导致传感器节点能量的大量损耗的问题，提出了一种基于IEEE802.15.4 的能量高效的移动MAC 协议。该协议采用带时隙的CSMA-CA 机制，将超帧激活期划分成竞争期与非竞争期。竞争期内，传感器节点申请数据收发安排权，非竞争内进行无竞争的数据传输，减少了数据碰撞的概率，仿真实验表明基于IEEE802.15.4 的能量高效的移动MAC 协议具有能量高效性。

机制的IEEE802.15.4 MAC 协议来说，路由节点周围存在许多传感器节点，而传感器节点的信息常常具有突发性和集中性，当用户发送查询指令时，路由节点附近的传感器节点几乎同时进行数据采集和汇报，这必然造成在传感器节点汇报数据时期出现大量的数据碰撞，造成传感器节点能量的大量损耗。

无线传感器网络的概念自从20 世纪90 年代末提出以来吸引了学术界和工业界的广泛注意，并且获得了迅速的发展。同时，为促进传感器网络的标准化进程和加速产业化进程，工业界制定了IEEE 802.15.4、ZIGBEE 等专门针对无线个人区域网络(wireless per-sonal area network, WPAN)应用的协议[1]。

本文对分层移动节点的无线传感器网络MAC 协议进行研究，针对基于带时隙CSMA-CA 机制的IEEE802.15.4 在分层移动节点的无线传感器网络应用中，当任务到达时存在大量的能量消耗问题，提出一种基于IEEE802.15.4 的能量高效的移动MAC 协议。

作为无线传感器网络承载体的无线传感器节点的能量消耗问题是影响节点寿命和网络性能的关键因素。在无线传感器网络中，媒体接入控制(Medium Access Control, MAC)协议决定了如何在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，是影响无线传感器网络能量效率的重要方面[2]。

2. IEEE802.15.4 移动MAC 协议优化 2.1. 协议优化 MAC 协议主要完成如何分配媒体资源给网络中的节点，获得资源的节点则可以向网络中的目标节点发送数据，实现对数据的分组控制和管理，无线传感器网络MAC 层协议对传感器网络整体工作寿命和性能有着重要的影响[3]。传统的无线传感器网络中，节点一般假设为静止的，当在移动传感器网络中，节点随时改变其物理位置，其必须能够及时地执行与其邻居节点建立连接和移除过程。因此在设计移动无线传感器网络协议时，支持节点的移动性是很重要的[4,5]。

针对IEEE802.15.4 MAC 协议对传感器设备节点移动性支持不足，造成移动设备能量损失严重及网络节点管理困难等问题。本文提出一种基于IEEE 802.15.4 协议标准能量高效的层次型移动无线传感器网络MAC 协议方案。方案的设计思想如下： 1) 网络采用带时隙的CSMA-CA 算法对无线信道进行管理和控制。

2) 通过修改BO 和SO 的值来调整协调器发送信标的间隔BI 长度和超帧激活期的SD 长度， 根据网络中传感器设备节点发送数据量动态决定BO 和SO 的值，协调器节点将超帧的激活期划分成竞争期和非竞争期两个部分，如图1 所示为协调器节点工作时序划分。

目前， 在研究无线传感器网络MAC 协议过程中， 通常假设节点位置不会发生变化，网络拓扑变化缓慢。当节点具有强移动性造成网络拓扑剧烈变化时， 可能对MAC 协议的信道接入机制产生严重影响，甚至造成网络瘫痪。在基于IEEE802.15.4 MAC 协议标准的无线传感器网络中，能量有效性同样是网络设计的首要目标之一[6,7]。

在IEEE802.15.4 协议中， 采用了休眠机制避免节点不必要的能量消耗，然而，传感器节点的移动性将对该协议休眠机制产生严重影响[8,9]。

3) 传感器设备节点定期扫描所属网络的信号强 竞争期竞争期竞争期非竞争期非竞争期非竞争期休眠休眠休眠 从接收节点的角度出发考虑，节点与发送节点的休眠同步，在业务到达时接收节点及时激活并完成数据分组接收过程是休眠机制的关键。在移动环境下， 特别是节点具有强移动性时，其周围的邻居节点不断变化。一方面，节点必须不断重复休眠建立过程，造成的能耗和控制开销增加；另一方面，移动节点需要等待较长的时间才能与新的邻居节点建立休眠同步， 或者根本来不及重新建立休眠同步，从而使MAC 协议性能出现较大衰减[10]。此外，对于采用CSMA-CA Figure 1. Time series of coordinator node 图1. 协调器节点时序划分