基于优先级的无线传感网络MAC 协议的
研究
史丹丹1，王珂1，徐连明1，朱林2**
作者简介：史丹丹，（1986-），女，硕士研究生，无线传感器网络协议研究方向。
通信联系人：朱林，男，现任空军装备研究院副院长，中国电子学会通信分会委员、导航分会副主任委员、
系统工程分会常务委员，获国家、军队科技进步奖多项. E-mail: shidandan27@163.com
5 （1. 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876；
2. 空军装备研究院，北京 100876）
摘要：通过修改802.15.4 协议的CSMA/CA 机制，实现了基于优先级传输的无线传感网络协
议，并运用OMNET++网络仿真软件，对修改后的协议与原始协议的高优先级信息包的等待时
间和传输时延分别进行比较，并且针对修改后的网络整体性能造成的影响进行了分析，得出
10 基于优先级的算法在传输具有优先级的信息包时，具有一定的可行性。
关键词：无线传感网；优先级；CSMA/CA；OMNET++
 0 引言
随着科技的飞速发展和人类技术需求的不断提高，无线传感网络应用得越来越广泛，如
室内外监控预警、战场部署与敌情考察、农业生产管理、矿井监管等等。这些应用无疑给人
30 类生产和生活带来了无尽的便利，但是仍然存在一些有待改进的地方，比如对于室内的监控
预警，人们更关注的往往是能够实时的监控室内是否有报警信息，如果室内一旦产生报警信
息，希望能够优先传输，及时的反馈给用户，使用户能在第一时间采取相应的补救措施。为
了解决这一问题，实现敏感信息优先传输的目的，本文提出了一种基于优先级传输的无线传
感网络协议，并通过OMNET++仿真软件证明了这种算法的可行性。
35 1 原始MAC 协议的CSMA/CA 机制
802.15.4 的MAC 协议的接入模式分为beacon-enabled 和non-beacon 两种模式[1]，其中
beacon-enabled 模式要严格遵循路由节点和协调节点的时间同步准则，采用时隙的CSMA/CA
机制。后者则采用非时隙的CSMA/CA 机制，允许节点自由竞争信道来发送信息包。实际中，
由于达到节点的严格的时间同步是非常困难的，而目前应用较为广泛的无线传感器芯片一般
40 采用non-beacon 模式，可见non-beacon 模式在实际生产生活中具有一定的研究价值和意义。
 因此本文采用在non-beacon 模式下，研究MAC 协议的CSMA/CA 机制。
传统的MAC 协议的CSMA/CA 机制流程图[2-3]如图1 所示。
图1 传统的CSMA/CA 机制
Fig.1 Traditional C 45 SMA/CA mechanism
从图中可以发现，CSMA/CA 机制中有两个非常重要的参数：BE 和NB。BE 是信息包
的退避指数，决定了退避的时间，在协议中最小值默认为3，最大值默认为8。NB 是退避
的次数，在协议中默认最大退避次数为5。整个流程可以描述如下[4]：当应用层产生的信息
50 包经过网络层传输到MAC 层时，会进入图中所示的（1）阶段，判断MAC 层的信息队列是
否已满，如果队列已满，则将信息包丢弃；否则将信息包放入队列的末尾，按照队列‘先进
先出’的原则等待发送。当信息放入队尾后，进入（2）阶段，产生随机的退避时间（0，2BE-1），
其中BE 设置为最小值3，NB 初始化为0。当退避时间节点到达时，进入（3）阶段，进行
CCA 检测，查看信道忙闲状况,。如果信道空闲，则取出队列中的最前端的信息包，进入（4）
55 阶段，开始传输信息包；否则NB 加1，BE 值也加1，并且在保证NB 值没有超过最大退避
次数的情况下，进行再次退避。直到信道空闲，信息包被发送出去，或者NB 值超出限制，
 丢弃该信息包为止。
2 基于优先级的MAC 协议
为了实现具有优先级的信息传输机制，对MAC 协议进行了修改。修改的部分主要发生
在图1 60 的（1）（2）两部分，其他部分保持原有的CSMA/CA 机制。则修改后的CSMA/CA
机制如图2 所示。
图2 基于优先级的CSMA/CA 机制
Fig.2 CSMA/CA mechanism based on priority
65
首先，在应用层产生信息包时，增加了一个priority 字段，来表式信息包的优先级别，
这里假设有两个级别：高优先级和低优先级，分别用1 和0 表式。当应用层信息包经过网络
层传输到MAC 层时，会将该优先级字段一同传到MAC 层，MAC 层不会向原始的MAC 协
议那样，判断队列是否已满，如果不满，则将信息包放入队列的尾部。改过之后的MAC 协
70 议，在队列不满的情况下，判断由上层传下来的信息包的优先级，如果是低优先级，则按照
原CSMA/CA 机制的流程进行退避和发送；如果是高优先级，则将信息包放在队列的最前端，
而不是尾部，并且将高优先级信息包的初始退避指数BE 设为1，而不是协议中默认的最小
值3，这样就保证了具有高优先级的信息包能够在在第一时间，经过最少的退避时间，得到
传输，而不是等到队列中前面的信息包传输完毕之后，再开始传输。理论上，这种方法在一
75 定程度上能够大大减少高优先级信息包的等待时间和传输时延。
3 仿真验证
为了验证修改后的基于优先级的MAC 协议在传输具有高优先级信息包时，确实比原算
法具有更少的等待时间和传输时延，通过网络仿真软件OMNET++4.0 对其进行了仿真验证。
仿真模型为在200m2 的范围内放置20 个节点，且20 个节点的拓扑结构相同，节点的平均发
80 包率均为每秒5 个，到达MAC 层的信息包的长度相同，均为252bit，队列长度100，网络
 传输速率为250Kbps。仿真拓扑图如图3 所示[6]。
图3 仿真拓扑结构图
Fig.3 Simulation topology
85
平均等待时间和传输时延的比较对象都是针对高优先级的信息包。等待时间定义为信息
包从进入队列到从队列中取出，进行第一次退避的这段时间间隔[5]，如公式1。
19
0
ait 1 a
1
ak
i
i
k k
wt
W Time
hostNum
=
= =
−
Σ
Σ
（1）
（其中，WaitTime 为平均每个节点每个高优先级信息包的等待时间，K 为节点编号，i
90 为高优先级信息包编号，ak 表示第k 个节点有ak 个高优先级信息包，wti 为第k 个节点的第
i 个高优先级信息包的等待时间，hostNum 为节点总数，这里是20。）
传输时延定义为信息包从进入队列开始，到目的节点成功接收到该信息包的这段时间，
为了计算准确，按公式2 计算。
1
recv
N
k k
DelayTime k
N
= =
Σ（ Time -backoffTime ）
（2）
95 （其中DelayTime 为平均每个高优先级信息包的传输时延，k 为高优先级信息包编号，
recvTimek 为接受第k 个高优先级包的时间，backoffTimek 为第K 个高优先级包的第一次退
避时间，N 为高优先级包的总个数。）
仿真结果如图4，图5 所示。
 100 图4 等待时间结果图
Fig.4 Waiting time result
图5 传输时延结果图
105 Fig.5 Transmission delay result
由图4 可以看出，改进后的算法平均每个信息包的等待时间在0.0002s 左右，比原始
CSMA/CA 算法的0.027s 有显著的提高，由此可以得出，改进后的算法能够使高优先级信息
包在等待一个非常短的时间之后，就可以进行传输，这在实际生活中是非常有意义的。由图
110 5 可以看出，改进后算法传输一个高优先级信息包的传输时延在0.074s 左右，比原始
CSMA/CA 算法的0.215s 提高了约3 倍，由此可得结论，改进后算法能够更加快速、高效的
传输高优先级信息。为了验证该算法在不同节点密度下仍然能够具有普遍性和可行性，还对
30、40、50，60 个节点密度的拓扑结构进行了仿真，仿真结果如图6 和图7 所示。
 115 图6 不同节点数情况下的等待时间结果图
Fig.6 Waiting time result in different nodes number condition
图7 不同节点数情况下的传输时延结果图
120 Fig.7 Transmission delay result in different nodes number condition
由图6 和图7 可见，不同节点数情况下的等待时间和传输时延结果图与20 节点时相似，
都有较大提高，由此可以证明基于优先级的算法对于不同节点密度下的高优先级信息传输具
有可行性和普遍适用性，且较原算法有明显优势。
125 基于优先级的算法在一定程度上缩短了高优先级信息包的等待时间和传输时延，在实际
生产生活中具有非常重要的意义。但是该算法是否会对整个网络的其他性能造成不良影响，
本文做了如下的仿真分析。
服务率是表征网络性能的一个重要性能之一，定义为网络在单位时间内服务的信息包个
数。服务时间从信息包进入第一次退避开始，到成功接收到ACK 确认信息为止。由于网络
130 中存在丢包的可能，有些信息包并没有成功接收到ACK 确认信息，但是这些信息包确实被
网络服务过，所以为了使仿真结果更加精确，必须把丢包的可能性考虑进去。即服务时间还
包括信息包从退避到丢失的这段时间。仿真结果如图8 所示。
 图8 服务率结果图
135 Fig.8 Serve Rate result
由图8 可以看出，基于优先级的算法的网络服务率较原算法有所提高，平均每秒多服务
约10 个信息包，这主要是由于具有高优先级的信息包的退避指数小，有较强的竞争能力，
使网络在无需等待很长的退避时间就可以进行发包，使单位时间内传输的信息包数目增大，
140 从而提高了整个网络的服务率。
网络服务率的提高表示网络的传输效率有所提升，在同样的时间内可以传输更多的信息
包，充分利用带宽资源，提高信道利用率，因此从吞吐量方面考虑，服务率的提高必然引起
网络整体吞吐量的提高。但是从丢包率的方面考虑，吞吐量的提高又会带来信道竞争的更加
激烈，从而使没有能力竞争信道的信息包产生丢失，使网络丢包率有所增大。本文还针对
145 MAC 的队列长度的变化对丢包率产生的影响做出了仿真验证，如图9 所示。
图9 不同队列长度情况下的丢包率结果图
Fig.9 Drop Rate result in different queue length condition
150 由图9 可见，在MAC 队列长度逐渐增大的情况下，高优先级信息包和低优先级信息包
的丢包率基本上呈递减趋势，并且高优先级信息包的丢包率总是小于低优先级信息包。这主
要是由于高优先级信息包每次都会放在队列的最前端，而且退避指数较小，抢占信道的能力
强于低优先级信息包，使得低优先级信息包的丢包率降低。所以得出，任何事物都有两面性，
 基于优先级信息的传输就是以牺牲低优先级信息包的丢包率为代价的。
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