傳感器網(wǎng)絡(luò)及其介質(zhì)訪問控制協(xié)議的研究

作者：王德智;王忠臣;李金寶摘要:多無線收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡(luò)（Multi-RadioWirelessSensorNetworks）是一種帶寬較寬，網(wǎng)絡(luò)適時性較強(qiáng)，吞吐量較大的特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文研究了多無線收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡(luò)上的MAC協(xié)議，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種充分地利用了這這種網(wǎng)絡(luò)的多收發(fā)器、多頻道特性的MAC協(xié)議，該協(xié)議能夠充分發(fā)揮多收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，為上層協(xié)議的開發(fā)提供有力的保障。

關(guān)鍵詞:多收發(fā)器；傳感器網(wǎng)絡(luò)；MAC協(xié)議

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有通信與計算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有AdHoc網(wǎng)絡(luò)的移動性、斷接性、電源能力局限等共同特征以外，還具有很多其他鮮明的特點(diǎn)，如通信能力有限、計算能力有限、感知數(shù)據(jù)流巨大并具有實(shí)時性等特點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較低，也存在廣播數(shù)據(jù)的沖突問題，雖然可以采用握手、時間調(diào)度等協(xié)議來盡量減少丟包和沖突，但這些軟件協(xié)議并不能從根本上解決碰撞、無線沖突、帶寬較低的問題。多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（MR-WSNs：multipleradiowirelesssensornetworks）采用了多個無線收發(fā)器，可以在很大程度上減少網(wǎng)絡(luò)的沖突、增加通信帶寬。多收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)廉價、移動性和可擴(kuò)展性能好、安放方便，具有多個無線模塊、多頻道無線連接的特點(diǎn)，多個無線模塊可以同時的工作，因此可以降低無線沖突，擴(kuò)展通信帶寬，提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性，降低了網(wǎng)絡(luò)延遲。

目前多收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)的研究一般都用在mesh網(wǎng)絡(luò)上[1]；Bruno，Conti和Gregori在[2]中提出了一種應(yīng)用多收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)的mesh的技術(shù)。在多收發(fā)器無線網(wǎng)絡(luò)中，由于其無線模塊、無線信道的增多，需要一個有效的MAC協(xié)議來支持，使其多無線模塊、多無線頻道的功能得到合理利用。

二、多收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計

多無線收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有多個無線收發(fā)器的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)主要可分為6個模塊，中央微處理器模塊，多個無線收發(fā)模塊，電源管理模塊，傳感器模塊，存儲模塊。

介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議是一項(xiàng)構(gòu)造底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它的主要功能是為數(shù)據(jù)傳輸建立連接以及在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間合理、高效地分配通信資源。傳統(tǒng)MAC協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計還需要考慮最小化能耗等問題，這就決定了它要適度地減小吞吐量和增加時延。另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些典型應(yīng)用(如戰(zhàn)場目標(biāo)跟蹤)也對其MAC協(xié)議的設(shè)計提出了不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。多無線收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡(luò)就是為了突破吞吐量時延這個瓶頸設(shè)計的，它還需要有一個適宜的MAC協(xié)議來合理的分配無線資源。現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的MAC協(xié)議，都有只有一個收發(fā)器，雖然有針對多個無線頻道的MAC協(xié)議，一般又要求嚴(yán)格的時間同步，在大量的密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)中做到全網(wǎng)的時間同步是很困難的。在無線網(wǎng)格網(wǎng)中，針對多收發(fā)器的無線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，因?yàn)榫W(wǎng)格網(wǎng)的特殊特點(diǎn)，都有考慮到節(jié)點(diǎn)的處理能力、通信能力、節(jié)點(diǎn)的密度等相關(guān)因素，這些MAC協(xié)議都不適合多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層工作如圖1所示?，F(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常每個節(jié)點(diǎn)只有一個收發(fā)器，