传感器网络及其介质访问控制协议的研究

作者：王德智;王忠臣;李金宝

摘要:多无线收发器的传感器网络（multi-radio wireless sensor networks）是一种带宽较宽，网络适时性较强，吞吐量较大的特殊的无线传感器网络。本文研究了多无线收发器传感器网络上的mac协议，设计实现了一种充分地利用了这这种网络的多收发器、多频道特性的mac协议，该协议能够充分发挥多收发器传感器网络的特性，为上层协议的开发提供有力的保障。

关键词:多收发器；传感器网络；mac协议

一、引言

无线传感器网络是由大量具有通信与计算能力的传感器节点构成的网络系统。传感器网络除了具有ad hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点，如通信能力有限、计算能力有限、感知数据流巨大并具有实时性等特点。

无线传感器网络的通信带宽较低，也存在广播数据的冲突问题，虽然可以采用握手、时间调度等协议来尽量减少丢包和冲突，但这些软件协议并不能从根本上解决碰撞、无线冲突、带宽较低的问题。多收发器无线传感器网络（mr-wsns：multiple radio wireless sensor networks）采用了多个无线收发器，可以在很大程度上减少网络的冲突、增加通信带宽。wwW.11665.cOm多收发器的传感器网络结合了无线传感器网络和无线网格网络的优点，节点廉价、移动性和可扩展性能好、安放方便，具有多个无线模块、多频道无线连接的特点，多个无线模块可以同时的工作，因此可以降低无线冲突，扩展通信带宽，提高了传感器网络的实时性，降低了网络延迟。

目前多收发器网络的研究一般都用在mesh网络上[1]；bruno,conti和gregori在[2]中提出了一种应用多收发器网络的mesh的技术。在多收发器无线网络中，由于其无线模块、无线信道的增多，需要一个有效的mac协议来支持，使其多无线模块、多无线频道的功能得到合理利用。

二、多收发器传感器网络mac协议的设计

多无线收发器的传感器网络是由具有多个无线收发器的节点构成。多收发器无线传感器网络的节点主要可分为6个模块，*微处理器模块，多个无线收发模块，电源管理模块，传感器模块，存储模块。

介质访问控制(mac)协议是一项构造底层基础网络结构的重要技术，在传感器网络中，它的主要功能是为数据传输建立连接以及在各网络节点间合理、高效地分配通信资源。传统mac协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。而传感器网络mac协议设计还需要考虑最小化能耗等问题，这就决定了它要适度地减小吞吐量和增加时延。另外，传感器网络的一些典型应用(如战场目标跟踪)也对其mac协议的设计提出了不同于传统无线网络的要求。多无线收发器传感器网络就是为了突破吞吐量时延这个瓶颈设计的，它还需要有一个适宜的mac协议来合理的分配无线资源。现有的无线传感器网络上的mac协议，都有只有一个收发器，虽然有针对多个无线频道的mac协议，一般又要求严格的时间同步，在大量的密集的传感器网络中做到全网的时间同步是很困难的。在无线网格网中，针对多收发器的无线网络的mac协议，因为网格网的特殊特点，都有考虑到节点的处理能力、通信能力、节点的密度等相关因素，这些mac协议都不适合多收发器无线传感器网络。

多收发器无线传感器网络底层工作如图1所示。现有的传感器网络通常每个节点只有一个收发器，所以同一时刻只能接收到来自一个节点的信息，即使现在的节点可以有多个工作频率，每个频率也不能同时工作，而多收发器的传感器网络的多个收发器则可以同时的工作。

本文以具有两个收发器的节点为例，阐述多收发器传感器网络的mac协议的设计与实现。本文采用每个收发器都配置不同的工作频道的方法，使两个收发器能够同时工作。例如节点a和节点b通信时采用频率 f1，节点c和节点b通信时采用频率f2，f1!= f2，这样就能保证三个节点之间同时进行通信。

节点之间通信的数据包可分为广播信息和单播信息。在发送广播包时，本文采用一个收发器工作。无线网络的广播不同于有线网络，它的广播以传输范围为半径向外广播，每个节点同时同行的时候又可以分为三种情况，本文以节点b为例进行说明。第一种情况，如图1（a）所示，两个节点a和c同时向节点b发送数据时，节点a采用f1发送，节点c采用f2发送，节点b的两个收发器都处于接收状态。如果一个节点只有一个收发器时，那么节点只能接受到来自一个节点的信息，而这两个节点又使用相同的频率，连个数据包就发生了碰撞，从而导致了两个数据包的丢失。多收发器无线传感器网络很好的解决了这个问题，图中节点b就同时接收到了来自节点a和节点c的数据包，并且没有发生碰撞。第二种情况，如图1（b）所示。当节点a向节点b发送数据，同时节点b向节点c发送数据，采用的频率同第一种情况。这种情况在单收发器无线传感器网络中是不存在的，而且由于单个收发器的发送和接收之间转换需要一定的时间，所以可能会造成网络延时的增加。采用多收发器无线传感器网络节点就可以同时收发无线数据包，由于发送和接收的时间相同，所以就相当于减少了一半的通信时间。节点的多收发器之间不存在发送和接收状态之间的切换，因此可以进一步提高通信的实时性。第三种情况，如图1（c）所示，节点b同时向节点a和节点c发送数据，频率同前。在单收发器无线传感器网络中，必须持续发送数据报，为了保证可靠通信，还需要等待数据通信成功应答后才能够发送下一个数据包，而在多收发器无线传感器网络中，节点则可以以不同的收发器同时发送不同的数据包。

综上所述，多收发器无线传感器网络节点可以以全双工通信的模式工作，扩展带宽，减少无线冲突，增大网络吞吐量，利用多个收发器同时工作，减少网络时延。

三、结论及未来的工作

多收发器传感器网络的研究刚刚起步，是传感器网络的一个新的研究问题，其上的网络协议研究仍处于探索阶段，本文设计并实现了一种多收发器传感器网络上的mac协议，理论分析与实验结果表明本文的协议在降低无线冲突、减少丢包率、降低通信时延等方面具有很好的性能。

参考文献

[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.