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基于跳频的工业控制无线传感器网络的SPA-MAC协议设计研究

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资料介绍

在分析几个典型跳频信道分配协议的基础上,提出了一种MAC控制协议——-MAC协议利用函数生成方式确定通信过程中信道的分配,该协议通过加入随机函数生成器,提高了信道分配的“混乱性”,增强了网络的安全性,在有干扰的情况下仍能提高网络通信效率.

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V01．24 No．2

Apr．，2013

第24卷第2期

2013年4月

中原工学院学报

OF ZHONGYUANUNIVERSITY 0F TECHNOLOGY

JOURNAL

文章编号：1671—6906(2013)02—0014—05

基于跳频的工业控制无线传感器网络的

SPA—MAC协议设计研究

袁红斌，张书钦，曹会群

(中原工学院，郑州450007)

摘要：在分析几个典型跳频信道分配协议的基础上，提出了一种MAC控制协议——SPA—MAC．sPA—MAC协议利

用函数生成方式确定通信过程中信道的分配，该协议通过加入随机函数生成器，提高了信道分配的“混乱性”，增强了网

络的安全性，在有干扰的情况下仍能提高网络通信效率．

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键

词：

工业控制；无线传感器网络；跳频；MAC

中图分类号：TP393

文献标志码：A

DOI：10．3969／j．issn．1671—6906．2013．02．004

Sensor Networks，

无线传感器网络(Wireless

境中总存在问题．本文综合考虑工业领域中无线传感

Automa-

器网络应用的复杂性，在PA—MAC(Process

WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器

节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织

网络系统．这样的网络在军事侦察、工业控制、物流、智

能建筑中均有广泛的应用[1]．无线传感器网络的媒体

Access Control

tion

MAC)协议的基础上提出了SPA—MAC

Process Automation

(Strengthen

MAC)协议．并利用

OMNET4．0++平台对其进行仿真实验．结果表明，

通过对控制信道的重新合理设计，提高了网络的安全

性和抗干扰性．

访问控制协议(Media

Protocol，MAC

Protoc01)决定了无线信道的使用方式，并在节点之间

分配有限的无线通信资源．MAC协议设计的优劣对

无线传感器网络的性能有着非常大的影响[2_3]．

基于跳频技术的现有MAC协议

工业控制对WSN的可靠性及可预测性时延有着

严格的要求，不允许中断发生，否则可能会导致严重后

果．通常所接触到的无线传感器网络绝大多数是采用

固定信道通信的系统，当这种系统信道受到干扰时，通

信质量就会下降，严重时甚至会导致通信中断．为了避

免在信道受到干扰时对整个网络性能产生影响，最好

的解决方式是引入跳频机制．跳频技术具有较强的抗

的不足

目前，基于跳频技术应用于无线传感器网络中的

MAC协议主要有：McMAC(Multi ^channelMAC)协

Channel Media Access

议、MMAC(Multi

Contr01)协

议和PA—MAC协议．

1．1 McMAC

干扰性、抗截获能力，并能做到频谱资源共享，但这会

对WSN的MAC协议设计提出更高的要求．

McMAC协议[43采用并行的信道跳频模式，每个

节点的信道切换次序是随机的，所有节点都采用相同

的随机数生成器来计算下一跳要使用的信道，在计算

的时候以每个节点的MAC地址作为这个随机数生成

器的种子．这样做的优点是，对于一个节点只要知道与

它相邻节点的MAC地址和时钟，便可以利用随机数

在跳频通信中，信道分配是跳频技术进行媒体访

问控制协议设计的核心，信道分配的好坏，直接影响着

网络的性能．已有研究人员提出了一些有效的无线传

感器网络的信道分配方法，但这些方法在不同应用环

收稿日期：2013—03—21

作者简介：袁红斌(1975一)，男，河南开封人，硕士生．

万方数据

第2期

袁红斌，等：基于跳频的工业控制无线传感器网络的SPA—MAC协议设计研究

生成器计算出这个相邻节点接下来要使用的信道，从

而减小传送整个跳频序列的时间开销．然而，在信息的

传送过程中，如果因为信道受到干扰，使得相邻节点的

MAC地址信息迟迟无法传送到请求节点时，节点就

无法选择信道正常入网，从而导致网络通信性能下降．

过函数生成通信信道．当一个节点需要发送信息时，使

用时隙帧中的第一个时隙发送信标帧．发送方首先将

接收状态置为发送状态，发出一个信标帧，然后再把发

送状态置为接收状态，等待接收方返回的确认帧；接收

方初始状态为接收状态，等待接收发送方的信标帧，当

接收完毕后，将接收状态置为发送状态，给接收方发送

一个确认帧，在信标帧中设置入网所需要的各种参数，

之后收发双方就按照信标帧中设置的参数利用函数生

成所需的信道进行跳频通信．

1．2 MMAC

MMAC协议[5]是以IEEE 802．11标准为基础建

立起来的一种多跳无线自组织的多信道媒体访问控制

协议．

通过对上述通信过程的分析可知，该协议在信道

使用上具有周期性．当时隙帧的第一个时隙确定的信

道受到干扰后，信标帧便无法正常传输，从而导致无法

交换信道并生成所需的参数信息，致使无线传感器网

络不能正常通信．

MMAC协议采用分阶段的跳频模式，节点之间通

过控制信道来确定通信要使用的信道．当一个节点有

数据发送时，就向目标节点发送ATIM包．节点接收

到ATIM包后，根据发送节点的选择信道列表以及自

己的可用信道列表，选择最不可能受到干扰的信道作

为通信使用的信道．接收节点利用所选的信道返回一

个ATIM ACK包，最后，发送节点再利用所选的信道

给接收节点发送一个ATIM—RES包进行握手通信．在

这个过程中，所有的相邻节点均会接收到这些信道使

用的数据，并更新它们的信道选择列表，然后根据信道

选择列表，把发送节点和接收节点切换到所选信道进

行通信．

SPA—MAC协议设计

SPA—MAC协议是在PA—MAC协议的基础上提

出的．SPA—MAC协议采用了与PA—MAC协议相近的

信道生成算法，与PA—MAC协议不同之处在于sPA—

MAC协议利用一个伪随机序列生成器产生一个伪随

机码，伪随机码和其他因素共同决定信道的分配，能够

随机选择控制信道发送信标帧，使得发送信标帧的节

点可以在跳频信道中随机分配信道，从而避免了单纯

依靠某个信道的通信模式．

通过对上述通信过程分析可知，若控制信道在信

息传送过程中受到某种干扰，通信系统就无法保证信

息的可靠传输，联络信号就无法准确地传送到接收端，

信道选择列表便无法及时获得更新．因此，若不能选择

理想的信道进行通信，就无法保证信息的可靠传输，也

就无法保障网络的通信性能．

在PA—MAC协议中，当控制信道受到干扰而使网

络无法正常通信时，会导致整个网络通信瘫痪，影响数

据正常传输．而SPA—MAC协议通过对PA—MAC协

议的改进，提高了网络的抗干扰性、安全性及网络的健

壮性．

1．3 PA—MAC

PA—MAC协议是基于IEEE802．15．4E的一个

多信道媒体访问控制协议，在该协议中，用时隙帧代替

了IEEE 802．15．4的超帧．时隙帧结构如图l所示．

2．1时隙帧结构

时隙帧(Slotframe)是周期性重复的时隙集合，其

规定了周期性通信的收发时间．网络管理者为网络中

的每个设备分配一个统一的SPA—MAC协议时隙帧．

在工业无线传感器网络中，使用时隙帧来协调无线设

备之间的通信，以保证网络通信有序可靠地进行．

SPA—MAC协议的时隙帧是由PA—MAC协议的时隙

帧扩展而来，其时隙帧结构如图2所示．

该协议的时隙帧由25个时隙组成，在一个时隙帧

中，每一个时隙都和PA—MAC协议的时隙帧的第一

个时隙一样，能够进行状态转换，并且能够进行信标帧

的收发．此外，SPA—MAC协议的时隙帧中的每个时隙

都可用于信标帧的传送，克服了单纯依靠某个时隙进

图l

含有。个时隙的时隙帧结构图

PA—MAC协议利用函数生成信道，节点之间通

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