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傳感器網絡及其介質訪問控制協議的研究
摘要:多無線收發器的傳感器網絡（Multi-Radio Wireless Sensor Networks）是一種帶寬較寬，網絡適時性較強，吞吐量較大的特殊的無線傳感器網絡。本文研究了多無線收發器傳感器網絡上的MAC協議，設計實現了一種充分地利用了這這種網絡的多收發器、多頻道特性的MAC協議，該協議能夠充分發揮多收發器傳感器網絡的特性，為上層協議的開發提供有力的保障。
關鍵詞:多收發器；傳感器網絡；MAC協議
一、引言
無線傳感器網絡是由大量具有通信與計算能力的傳感器節點構成的網絡系統。傳感器網絡除了具有Ad Hoc網絡的移動性、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、感知數據流巨大并具有實時性等特點。
無線傳感器網絡的通信帶寬較低，也存在廣播數據的沖突問題，雖然可以采用握手、時間調度等協議來盡量減少丟包和沖突，但這些軟件協議并不能從根本上解決碰撞、無線沖突、帶寬較低的問題。多收發器無線傳感器網絡（MR-WSNs：multiple radio wireless sensor networks）采用了多個無線收發器，可以在很大程度上減少網絡的沖突、增加通信帶寬。多收發器的傳感器網絡結合了無線傳感器網絡和無線網格網絡的優點，節點廉價、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，提高了傳感器網絡的實時性，降低了網絡延遲。
目前多收發器網絡的研究一般都用在mesh網絡上[1]；Bruno,Conti和Gregori在[2]中提出了一種應用多收發器網絡的mesh的技術。在多收發器無線網絡中，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、多收發器傳感器網絡MAC協議的設計
多無線收發器的傳感器網絡是由具有多個無線收發器的節點構成。多收發器無線傳感器網絡的節點主要可分為6個模塊，中央微處理器模塊，多個無線收發模塊，電源管理模塊，傳感器模塊，存儲模塊。
介質訪問控制(MAC)協議是一項構造底層基礎網絡結構的重要技術，在傳感器網絡中，它的主要功能是為數據傳輸建立連接以及在各網絡節點間合理、高效地分配通信資源。傳統MAC協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。而傳感器網絡MAC協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，傳感器網絡的一些典型應用(如戰場目標跟蹤)也對其MAC協議的設計提出了不同于傳統無線網絡的要求。多無線收發器傳感器網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協議來合理的分配無線資源。現有的無線傳感器網絡上的MAC協議，都有只有一個收發器，雖然有針對多個無線頻道的MAC協議，一般又要求嚴格的時間同步，在大量的密集的傳感器網絡中做到全網的時間同步是很困難的。在無線網格網中，針對多收發器的無線網絡的MAC協議，因為網格網的特殊特點，都有考慮到節點的處理能力、通信能力、節點的密度等相關因素，這些MAC協議都不適合多收發器無線傳感器網絡。
多收發器無線傳感器網絡底層工作如圖1所示。現有的傳感器網絡通常每個節點只有一個收發器，所以同一時刻只能接收到來自一個節點的信息，即使現在的節點可以有多個工作頻率，每個頻率也不能同時工作，而多收發器的傳感器網絡的多個收發器則可以同時的工作。
本文以具有兩個收發器的節點為例，闡述多收發器傳感器網絡的MAC協議的設計與實現。本文采用每個收發器都配置不同的工作頻道的方法，使兩個收發器能夠同時工作。例如節點A和節點B通信時采用頻率 f1，節點C和節點B通信時采用頻率f2，f1!= f2，這樣就能保證三個節點之間同時進行通信。
節點之間通信的數據包可分為廣播信息和單播信息。在發送廣播包時，本文采用一個收發器工作。無線網絡的廣播不同于有線網絡，它的廣播以傳輸范圍為半徑向外廣播，每個節點同時同行的時候又可以分為三種情況，本文以節點B為例進行說明。第一種情況，如圖1（a）所示，兩個節點A和C同時向節點B發送數據時，節點A采用f1發送，節點C采用f2發送，節點B的兩個收發器都處于接收狀態。如果一個節點只有一個收發器時，那么節點只能接受到來自一個節點的信息，而這兩個節點又使用相同的頻率，連個數據包就發生了碰撞，從而導致了兩個數據包的丟失。多收發器無線傳感器網絡很好的解決了這個問題，圖中節點B就同時接收到了來自節點A和節點C的數據包，并且沒有發生碰撞。第二種情況，如圖1（b）所示。當節點A向節點B發送數據，同時節點B向節點C發送數據，采用的頻率同第一種情況。這種情況在單收發器無線傳感器網絡中是不存在的，而且由于單個收發器的發送和接收之間轉換需要一定的時間，所以可能會造成網絡延時的增加。采用多收發器無線傳感器網絡節點就可以同時收發無線數據包，由于發送和接收的時間相同，所以就相當于減少了一半的通信時間。節點的多收發器之間不存在發送和接收狀態之間的切換，因此可以進一步提高通信的實時性。第三種情況，如圖1（C）所示，節點B同時向節點A和節點C發送數據，頻率同前。在單收發器無線傳感器網絡中，必須持續發送數據報，為了保證可靠通信，還需要等待數據通信成功應答后才能夠發送下一個數據包，而在多收發器無線傳感器網絡中，節點則可以以不同的收發器同時發送不同的數據包。
綜上所述，多收發器無線傳感器網絡節點可以以全雙工通信的模式工作，擴展帶寬，減少無線沖突，增大網絡吞吐量，利用多個收發器同時工作，減少網絡時延。
三、結論及未來的工作
多收發器傳感器網絡的研究剛剛起步，是傳感器網絡的一個新的研究問題，其上的網絡協議研究仍處于探索階段，本文設計并實現了一種多收發器傳感器網絡上的MAC協議，理論分析與實驗結果表明本文的協議在降低無線沖突、減少丟包率、降低通信時延等方面具有很好的性能。
參考文獻
[1] I. F. Akyildiz, X. Wang, and W. Wang. Wireless mesh networks: A survey. Computer Networks, Elsevier North-Holland,Inc.,47:445–487, March2005.
[2] R. Bruno, M. Conti, and E. Gregori. Mesh Networks: Commodity Multihop AdHoc Networks. IEEE Communications Magazine , March 2005
ys and Tutorials, vol. 1,pp. 2–16,2004.
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