HRC-MAC：一种基于CDMA的强实时无线传感器MAC层协议算法

王中正王金星

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650500）（2.云南省计算机技术应用重点实验室昆明650500）

HRC-MAC：一种基于CDMA的强实时无线传感器MAC层协议算法

王中正1，2王金星1，2

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650500）（2.云南省计算机技术应用重点实验室昆明650500）

在强实时WSN中，现有基于竞争的通讯协议（如TDMA等）实时性较低，主要表现于在同一时刻只有一个传感器独占信道，其他需传输数据的传感器排队等待，这无法满足爆炸监测等应用。针对该现象论文提出了基于CDMA的HRC-MAC（hard real-time mac）协议算法，利用CDMA码分复用的特点保证多个需传输数据的传感器共享信道同时进行传输，从而有效地提高了网络的实时性。实验数据显示该协议算法在网络传输延时方面有很大优化，实现了时间的多路复用，达到了强实时的同步通信。

无线传感器网络；码分多址；强实时通信；MAC协议

Class NumberTP212.9

1 引言

无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）是由大量微型传感器节点以各种分配方式组成，对数据进行采集、处理、并通过无线传输，以多跳和自组织方式构成的分布式网络。其在军事、防爆、工业、环境等领域都发挥着重要的作用，可对地震、温度、噪声、压力、瓦斯浓度等现象进行实时监测，WSN是现代信息产业物联网的重要组成部分［1］。而无线传感器网络中各种各样的传感器有着不同的功能与要求，其硬件装置和软件系统都不尽相同，传感器网络必然也会有不同的网络协议平台，所以只有对不同的应用进行特定分析，针对性地设计出更加适合此应用的节能高效WSN系统［2］。

目前，针对不同应用的特点国内外学者已经提出了很多MAC协议，从信道方面可以分为单信道和多信道两种形式［3］，而普通的单信道MAC协议使用同一个信道传输各种数据，信道的利用率比较低，而且如果WSN的部署密度比较高的情况下，大量的数据包在传输过程中将会产生冲突与堆积，此时整个WSN的网络吞吐量会很低；而多数的多信道MAC协议虽然在一定程度上增加了网络的吞吐量，并且对延时进行了优化，但是其多信道隐藏端比较多，并且占用了大量的正交信道，甚至是会产生数据丢失等重要问题［4］。

防爆、矿井监控、实时工业控制等领域对WSN的实时性要求较高，以高炉防爆领域为例，在高炉内有大量的压力、爆炸传感器，在高炉发生危险之前，各类环境因素将会相互影响，各类监测数据都将同时发生剧变，多个传感器将同时达到报警临界值，每一个信息都不能排队耽搁滞后，需在毫秒级的时间范围内完成数据传输，以保障上层控制系统有足够的时间对危险情况做出反应。而现有WSN所采用的网络协议无法达到此程度的实时性，其主要原因在于：现有网络协议多采用时分复用的方法，各传感器节点竞争信道，在某一具体时刻中只有一个传感器独占通信信道，无法保证排队等待中的传感器数据传输的及时性［4］。

针对现有的各种基于竞争机制的MAC协议无法实现同步通信的问题，本文提出了一种基于CDMA的强实时性无线传感器网络MAC协议，该协议采用多路复用方式占用一个信道通过特定类型的编码传输数据，实现了WSN的强实时同步通信。

2 相关工作

国内外学者针对降低无线传感器网络通信延迟、提高吞吐量、节省能耗等方面提出了一些MAC层协议。文献［5］提出的S-MAC是最早提出关于同步的MAC协议，其利用占空比机制，可以使传感器节点定时睡眠，节省能耗，但最高通信负载制约了其传输延时和整个无线传感器网络的吞吐量。文献［6］是在S-MAC基础上提出了T-MAC，改进了固定占空比这一方面，使其可以根据当前的数据自适应的调整流量负载，但因为节点早睡而会产生的传感器数据堆积问题。文献［7］提出的TF-MAC是一种混合型MAC协议，利用了当前的TDMA技术并做了一定改进，但其对传感器节点与节点之间的时间同步问题要求较高。文献［8］提出的MC-MAC协议使跳频技术变为随机，优化了传感器网络的通信延迟，但是其会占用很多的正交信道，使隐藏终端变得更多，并且对时间同步问题要求更高。文献［9］提出的D-MAC协议是基于IEEE802.11协议利用树状结构调整了传感器节点休眠方法，在一定程度上减少了通信延迟。文献［10］提出的TR-MAC协议是基于TDMA技术对传感器网络做出改进，提前分配好时间槽，减少整个网络的通信冲突，但是其存在时间同步问题，并且因为要提前分配好时间槽，在分配调度问题上资源消耗较大。文献［11］提出一种Z-MAC协议采用树状结构竞争机制，TDMA和CSMA方式配合使用，利用周期性时隙方式使用预先时间表机制，使每个节点都知道邻居节点的时间表，整个无线传感器网络的信息调度比较灵活，不仅提高信道利用率，而且在通信延迟和吞吐量方面都有很大优化，但是其能耗开销比较大。文献［12］提出的TC2-MAC协议网络利用分簇体系结构，通过周期性调度方式利用TDMA和CSMA/CA的优点综合使用，将大小相等的时隙交叉编排，即使不同用户之间存在差异性，QOS需求都能得到很好的支持，并且减少了信道中信息碰撞，自适应流量动态变化更高，提高了网络效率，节省能耗。

3 模型建立

在基于CDMA强实时同步MAC协议中，实现发送和接收数据的同时进行，在同优先级的节点传输数据无需排队等待并且不会相互干扰，但是由于3G移动通信技术覆盖范围广，则要求在本无线传感器网络中建立一个屏蔽移动通信信号的封闭式空间，并且在封闭式空间内搭建一个微型基站，此微型基站起到WSN中汇聚节点的作用，而对于本协议的WSN所适用的矿井深处、高炉内部等环境下都很容易实现，如图1所示，针对于本协议的网络模型，做出了三点假设［13］：

1）在WSN中，建立一个能有效屏蔽外界通信频段的封闭环境。

2）在封闭环境内部搭建一个微型基站，不仅能实现与各个节点进行多跳型的数收集与校对，并以有线方式与其他相关区域的无线传感器网络相连接。

图1 网络模型

3）在传感器网络部署完成后，网络中所有节点应处于静止状态，并且所有节点都是连通的，连通整个网络。

4 HRC-MAC协议设计

4.1 HRC-MAC帧结构设计

HRC-MAC用72个长为10ms的帧来构建，用一个帧的长度作为一个功率控制周期的方式来作为其时间调度机制，将每帧内划分为15个大小相等的时隙，为了实现强实时性传输、发送数据不冲突的情况，将HRC-MAC协议划的逻辑信道分为5个信道，分别是广播公共控制信道、寻呼信道、前向接入信道、专用控制信道、专用业务信道，其中无线传感器网络的数据传输是通过专用业务信道来实现点对点传输［14］，数据传输所牵扯的上下行信道帧结构如图2、图3所示。

图2 上行信道帧结构

图3 下行信道帧结构

其中上行信道中专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道（DPCCH）采用码分复用和并行发送的机制，在下行信道中，专用物理数据信道和专用物理控制信道采用时分方式复用，由最初定义的帧长度为10ms，相当于一个功率控制周期，每个帧划分为15个大小相等的时隙，每个时隙的长度为Tslot=2560chips。物理随机接入信道帧结构如图4所示。

图4 物理随机接入信道帧结构

4.2 多路复用方法

HRC-MAC协议采用码分多址（CDMA）无线通信技术对无线传感器的数据进行传输，将传感器收集的数据信息赋予信号信息，再将其带宽增大扩展变为高速伪随机码，以频率的方式嵌入到载波，然后再将其发送，而无线传感器接收终端利用唯一的伪随机码将其检测并接受，然后对高速伪随机码解码调制变为窄带宽的信号信息。对于多种并行可变速率的业务通过在每个专用物理数据信道帧内时分复用，不同物理数据信道帧总比特率是可变的。每个传感器连接仅分配一路专用物理数据信道，主公共控制信道待有寻呼信道和时分复用公共导频信道，分配其固定速率并映射到专用数据信道，将主公共控制信道在无线传感器网络中分配同样的信道码，传感器总能扎到寻呼信道，只有无线传感器网络接收数据段唯一的扰码才能匹配成功，快速的接收信息。上行扩频方法如图5所示；上行调制过程如图6所示。

图5 上行扩频方法

图6 上行调制过程

5 仿真与分析

由于本协议算法是针对某些特定WSN实现强实时同步通信，暂时不考虑网络能耗问题，我们采用OMNet++仿真工具对本文提出的HRC协议与INET FRAMEWORK框架中所给出的IEEE802.11N协议DCF方法（基于CSMA/CA）在网络丢包率和网络时延等方面与其他常见的协议算法进行仿真对比分析［15］，而现阶段基于CSMA/CA和TDMA竞争机制的各种协议优化算法虽然是针对不同的方面进行的优化改进，但他们在信道接入方式方面大多是采用IEEE802.11N协议的DCF方式，而IEEE802.11N协议的DCF方法也已经是很成熟的技术，在不同QOS需求上都有很好的支持，所以本文仅将HRC协议与IEEE802.11N协议的DCF方法以20节点的无线传感器网络中进行比较分析。

为了简化评估，并在相同的条件下进行比较分析，做出以下假设：

1）不考虑路由流量问题；

2）使用的路由协议可以得到无线传感器网络中随机两个节点的最短路径；

3）节点和微型基站之间都能侦听到双方的收发数据状态；

4）不考虑数据融合机制，微型基站在传输数据时仅进行透明转发操作。

网络的主要仿真参数如表1所示。

表1 主要仿真参数

5.1 网络丢包率

图7为本文HRC协议算法与IEEE802.11N协议在20、50、100节点三种可比性比较明显的网络中在不同发送速率的情况下网络丢包率的对比图，如图7所示，IEEE802.11N协议在相同的发送速率下随着网络中节点数的增加，丢包率有所增加，并且随着发送速率的增大，网络的丢包率上升比较明显，甚至是在50和100节点的网络中，发送速率增大之后网络丢包率将会达到百分之八十以上，本文HRC协议算法在不同节点的网络中在不同的发送速率下网络丢包率相对平稳，略优于IEEE802.11N协议，本协议算法在丢包率方面性能能满足传感器需求，符合实用效果。

图7 丢包率

5.2 吞吐量

图8为本文HRC协议与IEEE802.11N协议在在20、50、100节点三种可比性比较明显的网络中在不同发送速率的情况下网络吞吐量的对比图，如图8所示，在网络节点数增多的情况下IEEE802.11N协议的网络吞吐量有所下降，且随着发送速率的增快，网络吞吐量的下降比较明显，而本文HRC协议算法在不同节点的网络中吞吐量明显高于IEEE802.11N协议，并在20、50节点的网络中随着发送速率的增快，整个网络的吞吐量变化十分平稳，而在100节点的网络中吞吐量也只是略有降低，影响不大。

图8 吞吐量

5.3 网络延时

图9为本文HRC协议算法与IEEE802.11N协议在不同节点的网络中网络延时的对比图，如图9所示，IEEE802.11N协议在网络节点比较少时网络延时比较小，而随着网络节点数的增多整个网络的延时明显增大，而在网络节点数为500时，IEEE802.11N协议的网络延时已经达到了450ms，而本文HRC协议在50-100节点的网络中虽然比IEEE802.11N协议网络延时略高，但随着网络中节点数的增多，网络延时变化比较平稳，整体在50ms至1500ms范围内，在网络延时方面明显优于IEEE802.11协议。

图9 网络延时对比图

5.4 仿真结果分析

CDMA是无线网络通信方面已经很成熟的技术，而本文协议算法是将cdma技术引入到无线传感器网络中实现强实时通信的目的，主旨在一些矿井、高炉内部等一些需要强实时传递数据的特定的环境所设计的一种无线传感器协议，所以本文在网络能耗上不做过多研究。而在日常生活中，人们利用手机打电话可以很稳定地实现很多人同时说话，并且两人在通讯的过程中在发送语音数据信息的时候也能接收对方发送过来的语音数据信息，而且cdma技术在网络延时方面有很好的QOS支持，故本文HRC协议算法在仿真结果显示在网络丢包率、吞吐量和网络延时方面都非常稳定，并且优于IEEE802.11N协议。

6 结语

本文针对某些特定应用场合需要对不同数据信息进行强实时监测而提出的一种基于CDMA的HRC-MAC协议算法。HRC-MAC协议算法采用了码分多址（cdma）技术对无线传感器网络的数据进行强实时、同步通信传输，仿真结果表明本文协议算法在网络丢包率、吞吐量和网络延时方面有很大程度的改善和提高，并且非常的稳定。

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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，硕士研究生，研究方向：WSN，实时嵌入式软件。王金星，男，硕士研究生，研究方向：嵌入式软件复用。