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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
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,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,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(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,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(luò)的實時性,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)點構(gòu)成。多收發(fā)器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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(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)點只有一個收發(fā)器,
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