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傳感器網(wǎng)絡(luò)及其介質(zhì)訪問控制協(xié)議的研究
摘要:多無線收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡(luò)（Multi-Radio Wireless Sensor Networks）是一種帶寬較寬，網(wǎng)絡(luò)適時(shí)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(jì)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(jì)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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)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(jì)算能力有限、感知數(shù)據(jù)流巨大并具有實(shí)時(shí)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(shí)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：multiple radio wireless sensor networks）采用了多個(gè)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(jià)、移動(dòng)性和可擴(kuò)展性能好、安放方便，具有多個(gè)無線模塊、多頻道無線連接的特點(diǎn)，多個(gè)無線模塊可以同時(shí)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(shí)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(gè)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(jì)
多無線收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有多個(gè)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(gè)模塊，中央微處理器模塊，多個(gè)無線收發(fā)模塊，電源管理模塊，傳感器模塊，存儲(chǔ)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(jì)目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時(shí)延并且提供公平性。而傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)延這個(gè)瓶頸設(shè)計(jì)的，它還需要有一個(gè)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(gè)收發(fā)器，雖然有針對多個(gè)無線頻道的MAC協(xié)議，一般又要求嚴(yán)格的時(shí)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(shí)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。現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)收發(fā)器，所以同一時(shí)刻只能接收到來自一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，即使現(xiàn)在的節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)工作頻率，每個(gè)頻率也不能同時(shí)工作，而多收發(fā)器的傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)收發(fā)器則可以同時(shí)的工作。
本文以具有兩個(gè)收發(fā)器的節(jié)點(diǎn)為例，闡述多收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文采用每個(gè)收發(fā)器都配置不同的工作頻道的方法，使兩個(gè)收發(fā)器能夠同時(shí)工作。例如節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B通信時(shí)采用頻率 f1，節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)B通信時(shí)采用頻率f2，f1!= f2，這樣就能保證三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間同時(shí)進(jìn)行通信。
節(jié)點(diǎn)之間通信的數(shù)據(jù)包可分為廣播信息和單播信息。在發(fā)送廣播包時(shí)，本文采用一個(gè)收發(fā)器工作。無線網(wǎng)絡(luò)的廣播不同于有線網(wǎng)絡(luò)，它的廣播以傳輸范圍為半徑向外廣播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)同行的時(shí)候又可以分為三種情況，本文以節(jié)點(diǎn)B為例進(jìn)行說明。第一種情況，如圖1（a）所示，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和C同時(shí)向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A采用f1發(fā)送，節(jié)點(diǎn)C采用f2發(fā)送，節(jié)點(diǎn)B的兩個(gè)收發(fā)器都處于接收狀態(tài)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)收發(fā)器時(shí)，那么節(jié)點(diǎn)只能接受到來自一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，而這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)又使用相同的頻率，連個(gè)數(shù)據(jù)包就發(fā)生了碰撞，從而導(dǎo)致了兩個(gè)數(shù)據(jù)包的丟失。多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很好的解決了這個(gè)問題，圖中節(jié)點(diǎn)B就同時(shí)接收到了來自節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C的數(shù)據(jù)包，并且沒有發(fā)生碰撞。第二種情況，如圖1（b）所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，采用的頻率同第一種情況。這種情況在單收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是不存在的，而且由于單個(gè)收發(fā)器的發(fā)送和接收之間轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的增加。采用多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就可以同時(shí)收發(fā)無線數(shù)據(jù)包，由于發(fā)送和接收的時(shí)間相同，所以就相當(dāng)于減少了一半的通信時(shí)間。節(jié)點(diǎn)的多收發(fā)器之間不存在發(fā)送和接收狀態(tài)之間的切換，因此可以進(jìn)一步提高通信的實(shí)時(shí)性。第三種情況，如圖1（C）所示，節(jié)點(diǎn)B同時(shí)向節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，頻率同前。在單收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，必須持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，為了保證可靠通信，還需要等待數(shù)據(jù)通信成功應(yīng)答后才能夠發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，而在多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)則可以以不同的收發(fā)器同時(shí)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包。
綜上所述，多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以以全雙工通信的模式工作，擴(kuò)展帶寬，減少無線沖突，增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，利用多個(gè)收發(fā)器同時(shí)工作，減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
三、結(jié)論及未來的工作
多收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究剛剛起步，是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新的研究問題，其上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究仍處于探索階段，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多收發(fā)器傳感器網(wǎng)絡(luò)上的MAC協(xié)議，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的協(xié)議在降低無線沖突、減少丟包率、降低通信時(shí)延等方面具有很好的性能。
參考文獻(xiàn)
[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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