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超宽带无线传感器网络的MAC协议研究综述Summary on MAC Protocol for Ultra-Wideband WirelessSensor NetworksAbstract: The Ultra-wideband(UWB) technique can provide many advantages over current wireless commn uni cation manners ・ Applying UWB to wireless sensor n etworks (WSN), the performanee of WSN would be improved significantly.Currently, there are much less Medium Access Control Protocol (MAC) for UWB wireless sensor networks. Such being the case, we util i/e the features of UWB and then illustrate the way of designing the appropriate MAC for WSN. We mainly discuss the choise of UWB signal, channel access, code, near-far effect, power control, rate control, ranging, positioning and so on. Furthermore, we provide the adaptation scheme joinlod with cross-layer idea・ In sum, the article introduces the systematical solution for the design and optimization of MAC 1aver in UWB wireless sensor networks.Keywords: Ultra-wicleband Wireless Sensor Networks, Medium Access Control Protocol 摘要：超宽带技术能提供许多现有无线通信方式无法提供的特性。

将超宽带技术应用于无 线传感器网络能使网络性能得到很人改善目前，针对超宽带无线传感器网络的MAC协议研 究较少木文针对超宽带的特性，结合无线传感器网络的特点，着重从超宽带信号的选择、 信道接入方式、编码方式、远近效丿M、准入控制、功率控制、速率控制、测距和定位等方血 阐述如何设计适合超宽带无线传感器网络的MAC协议同时为了提高整体网络性能，利用跨 层设计的思想给出适合超宽带网络白适应策略全文介绍了超宽带无线传感器网络MAC层设 计和优化的系统解决方案关键词：超宽带无线传感器网路；MAC协议1引言1988年M“rk Weiser提出了 “普适计算”的思想，强调把计算机嵌入到环境或口常工具 中，让计算机木身从人们的视线中消失在“普适计算”思想的催生下，随着无线通信技术、 数字信号处理以及传感器技术的高速发展和口益成熟，促使计算、通信和传感器等多项技术 交叉丿勺用，为以信息获取、信息处理和传输为基础的无线传感器网络提供了有力的技术支持 无线传感器网络在军事、工业、医疗、灾害预报等领域都具有广阔的应用前景，特别是在生 化危险环境的探测、特殊地域或特殊丁作环境的监测以及军事侦察与跟踪等方面，具有重要 的应用价值。

超宽带无线电（UWB）是近年来发展迅猛的新型通信方式，它直接发射脉冲，无须中频 和射频电路，尤玻适合微小传感器节点的设计超宽带技术与其他的一些无线技术相比具有 以下特点：⑴具有极宽的频谱（3」G到10.6G）； （2）可在近距离获得极高的数据传输速率, 且在实现高达20〜500Mbps数据传输的同时有着低功耗的显著优点；（3）在处理数据速率方 面具佶较高的灵活性，能根据传输参数和环境的不同而匹配最佳的数据速率；（4）具有很强 的固行抗多径衰落和干扰能力；（5）穿透性强；（6）具有精确的测距和定位能力，定位精度 高达厘米级；（7）具有距离、速率和功率的互换性；（8）非常简单的收发信机结构和硬件电 路（9）空间传输容量大；（10）功率谱密度低，信号隐蔽性好综上所述，利用超宽带冲 激无线电作为无线传感器网络的基木传输手段，将解决基于正弦无线电的传感器网络的很多 困难问题，特别是在功耗、成本、体积、网络容量、定位功能、信号隐蔽性、与其他系统的 共存性以及高速传输等诸多方面超宽带冲激无线电具有独特的优势MAC层的功能是控制网络中的各节点对共享信道的接入，网络的性能如吞吐量、时延等 直接依赖于所采用的MAC协议，其重要性显而易见。

而由于无线网络节点移动性和信道的时 变性，容易产生帧丢失、突发损失、帧时延等问题，要充分发挥UWB的优势同时减小其同步 时间相对于高速传输速率较长的影响，必须针对UWB技术的物理层特点对MAC层进行设计当 前有关UWB的MAC研究，主要是利用LWB极高的传输速率，集中于无线个域网和蜂窝网络中 这些协议通过一个中央控制器将同时传输的节点分配到不同的时隙或者编码信道，从而阻止 碰撞和对乞种高速UWB设备接入进行控制考虑到超宽带的各种特点，这种技术在移动白组 和传感网络中也有广阔的应用前景，但是日前针对此类相对低速的超宽带传感器网络的MAC 研究还比较少2超宽带与无线传感器网络UWB通信主要有基于冲击的无载波UWB系统（I-UWB）和多载波调制UWB系统（MC-UWB） 两种方案与MC7WB相比，卜LWB直接利用基带窄脉冲进行通信，具有极强的多径信道分辨 能力，对多径衰落的鲁棒性强；具有厘米级的定位能力；功率、速率和距离的互换性强；因 无需对载波进行调制，所以收发信机结构简单，实现成木低、功耗小，尤其适合微小传感器 节点的设计所以在无线传感器网络中，采用基于冲击的无载波UWB系统（I-UWB）更加合适。

超宽带无线电信号⑵⑺他发射超宽带（LWB）信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲（0.1ns〜0.5ns）, 产生了很宽的频谱，这种脉冲可以称为“单周期”，这种传输技术称为“冲激无线电"（Impulse Radio,简写为IR）信息数据符号对脉冲进行调制，其调制方式可以有多种，脉冲位置调 制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）是最常用的两种调制方式除了要对脉冲进行调制外，为了 形成所产生的信号的频谱，还要用伪随机码或伪随机噪声（PN）对数据符号进行编码一般 是，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移,这就是所谓的跳时超宽带（TH-UWB） o而 直接序列扩谱（DS-SS）就是编码后的数据符号对基木脉冲的幅度进行调制，这在冲击无线 电中被称为貞接序列超宽带（DS-UWB） o£T对无线传感器网络主要采用IR-UWB,特W TH-UWBo在结合了二进制PPM的TH-UWB中， 脉冲无线电（IR）发送极短的脉冲传统的方法是通过脉位调制（PPM）进行信息传输在二 进制表述中，通过将一个单周期置于时间如一个逻辑“0”被传输，同时如果这个单周期 偏移/秒（置于S+5）—个逻辑“1”被传输为了让不同的用户同时共厚无线资源，可 以采用跳时（TH）码，跳时码以一种伪随机方式选择。

图1显示了两个用户通过跳时多址共 享频率资源第一个用户的跳时码是（1,3,0,2,...）,第二个用户的跳时码是（3,2,5,4,...）每 个码字元索对应Tf周期内M个可能时间偏移中的一个，Tf是脉冲重复时间（通常百倍或者千 倍单周期宽度）每个h被分为Nh个时隙，周期为T-在脉冲重复时间内饨个连续的脉冲用 来传输一个符号比特这样与一个码字相关的比特速率是R=1/（NS ・T（）.码字周期Np通常大 于NsUser A: t)me-hopping code = 1. 3, 0, 2User B: time-hopping code = 3. 2. 5. 4T产 NhTc7丿Ns 严number of pulses per symbolR2MWNs2=number of pulses per symbolRate图1 UWB多址方式跳时脉冲位置调制TII-PPM-UWB第k个用户的信号波形为豹⑺二i泌丿乃一占工一风]）戶—03讥t）是发送的单周期脉冲，j表示第j个脉冲，C『 = C%p为第k用户PN码的第j个码元,d表示传送的二进制“0”和“1”序列，“[]”表示取整运算3 MAC的评价标准和功能3.1 MAC协议性能评价指标（1） 吞吐量：定义为传输数据时所占信道容量的百分比。

2） 时延：即分组在MAC队列中的平均时间3） 公平度：可表述为如果所有节点占用媒体的机会相同，则媒体接入是公平的其他的评估参数通常与具体的MAC协议相关上述3个性能指标不仅是评价MAC协议的标准，也是其设计和实现的优化目标在动态 环境中，MAC应该有能力实现上述目标，能灵活地适应信道特性、业务流特性和本地网络 拓扑的变化同时，这些性能指标是相互关联的，必须根据应用的具体需求做出权衡，以选择和 设计合适的MAC协议3.2 MAC要完成的典型功能或任务〔皿（1） 媒体共享一一决定了终端如何接入媒体以实现数据分组的传输（2） MAC组织——处理MAC的组织，在资源共享中，终端怎样相互协调（3） 准入控制一一用于协调网路中的业务流的接入，以避免拥塞（4） 分组调度——当同一终端存在多个业务流时，分组调度用于选择下一个传输的分纽.（5） 功率控制一一对网络中所采用的发射功率进行优化服务质量（QoS）管理叠加在上述功能中QoS包含了上述大部分功能，可以看成是一 种横向功能4研究现状4.1无线网络的MAC协议分类MAC层通常被认为是数据链路控制（DLC）层的底层部分MAC对高层DLC提供的服务是提 供比特通道，避免和解决媒体接入时的竞争问题，协调多个用户共用一个信道实现高效可靠 传输。

针对媒体共享、MAC组织、准如控制、分组调度和功率控制等任务，在无线网络中, 已经提出了各种备样的MAC协议，其侧重标准和主要任务备有不同MAC协议可分为同步协议和异步协议同步MAC协议中，所有节点在时问上是同步 的异步MAC协议采用分布式的控制机制，其信道接入多是基于竞争模式的MAC协议也可分为发方驱动协议和收方驱动协议收方驱动协议是由收方通知发方已 经准备好接收数据，如MACA-BL发方驱动协议是发方通知收方有数据需要发送，如MACAo 现有的大多数协议都是发方驱动的，也有少数协议是混合式的MAC协议还可以分为单信道、双信道和多信道协议单信道协议中，所有的信号都在 同一个信道上传输为了减少冲突，可以把信道分成控制信道和数据信道，分别传输控制信 号和数据信号，避免数据信号和控制信号的冲突单信道协议很难完全解决冲突，采用双信 道或者多信道协议把控制信号和数据信号分开，可以提供更高的信道利用率按照移动终端发射功率是否相同，可以将网络分为对等网络和非对等网络，因此可以将 MAC协议分为对等网络MAC协议和非对等网络MAC协议对于MAC协议的分类，也可以针对所解决的问题不同来划分，最初的MAC协议都是 为了解决隐终端和显终端的问题，随着对MAC协议研究的深入，在解决这两个问题的基础 上，又出现了解决以下问题的协议：为减少节点间的相互干扰，提高网络的吞吐量，提出的 带有功率控制的MAC协议；从节省能童角度出发的MAC协议；受信道捕获时间影响，MAC 协议性能有所降低，为了减小端到端时延，提出的MAC协议以及为降低由于节点移动而增 加的报。