傳感器網(wǎng)絡及其介質(zhì)訪問控制協(xié)議的研究

傳感器網(wǎng)絡及其介質(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（Multi-RadioWirelessSensorNetworks）是一種帶寬較寬，網(wǎng)絡適時性較強，吞吐量較大的特殊的無線傳感器網(wǎng)絡。本文研究了多無線收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡上的MAC協(xié)議，設計實現(xiàn)了一種充分地利用了這這種網(wǎng)絡的多收發(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)絡的特性，為上層協(xié)議的開發(fā)提供有力的保障。

關鍵詞:多收發(fā)器；傳感器網(wǎng)絡；MAC協(xié)議

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量具有通信與計算能力的傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡除了具有AdHoc網(wǎng)絡的移動性、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，如通信能力有限、計算能力有限、感知數(shù)據(jù)流巨大并具有實時性等特點。

無線傳感器網(wǎng)絡的通信帶寬較低，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（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)絡的沖突、增加通信帶寬。多收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡和無線網(wǎng)格網(wǎng)絡的優(yōu)點，節(jié)點廉價、移動性和可擴展性能好、安放方便，具有多個無線模塊、多頻道無線連接的特點，多個無線模塊可以同時的工作，因此可以降低無線沖突，擴展通信帶寬，提高了傳感器網(wǎng)絡的實時性，降低了網(wǎng)絡延遲。

目前多收發(fā)器網(wǎng)絡的研究一般都用在mesh網(wǎng)絡上[1]；Bruno，Conti和Gregori在[2]中提出了一種應用多收發(fā)器網(wǎng)絡的mesh的技術。在多收發(fā)器無線網(wǎng)絡中，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MAC協(xié)議的設計

多無線收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡是由具有多個無線收發(fā)器的節(jié)點構(gòu)成。多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點主要可分為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)議是一項構(gòu)造底層基礎網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的重要技術，在傳感器網(wǎng)絡中，它的主要功能是為數(shù)據(jù)傳輸建立連接以及在各網(wǎng)絡節(jié)點間合理、高效地分配通信資源。傳統(tǒng)MAC協(xié)議的設計目標是最大化吞吐量、最小化時延并且提供公平性。而傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議設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)絡的一些典型應用(如戰(zhàn)場目標跟蹤)也對其MAC協(xié)議的設計提出了不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的要求。多無線收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡就是為了突破吞吐量時延這個瓶頸設計的，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，一般又要求嚴格的時間同步，在大量的密集的傳感器網(wǎng)絡中做到全網(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)絡的MAC協(xié)議，因為網(wǎng)格網(wǎng)的特殊特點，都有考慮到節(jié)點的處理能力、通信能力、節(jié)點的密度等相關因素，這些MAC協(xié)議都不適合多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡。

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