无线传感器网络多信道接入控制协议..docx

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1、收稿日期:2006206227收修改稿日期:2006211213作者简介:陈 迅， 男,1976年生，博士研究生，研究方向为无线传感器网络,嵌入式系统;陈闻杰，男976 年生，博士研究生，研究方向为无线传感器网络，嵌入式系统:韩 鹏，男,1977年生，博士 研究生，研究方向为无线传感器网络:涂时亮,男947年生，教授，博士生导师，研究方向 为嵌入式系统，无线传感器网络;陈章龙，男,1946年生，教授，研究方向为为嵌入式系统, 无线传感器网络.无线传感器网络多信道接入控制协议陈 迅12陈闻杰1,韩 鹏1,涂时亮1,陈章龙11(复旦大学计算机科学与工程系，上海2004332(江苏科技大学电子与信息

2、学院，江苏镇江212003E 2m ail:xunchenfudan .edu .cn摘 要:在现有的无线传感器网络和A d 2Hoc网络中的M A C协议基础上，并 考虑到无线传感器网络的条件约束和多信道通信的特性，本文提出了一种适用于无 线传感器网络的多信道媒介接入控制协议(M C M A C .仿真结果表明该协议提高了 网络的吞吐量、能量的有效性，并延长了网络寿命.关键词:无线传感器网络;M A C ;多信道:能耗中图分类号:TP 393文献标识码:A文章编号:100021220(20071021729206M ulti -channel M ed i a Access Con trol

3、 Protocol for W ireless Sen sor NetworksCH EN Xun1,2,CH EN W en 2jie 1,HAN Peng 1,TU Sh i 21iang 1,CH EN Zhang 21ong 1 簇的簇号以及簇内的时间同步信息等.各节点可以根据时间同步信息来设置自己的 唤醒时钟，协调控制节点的工作状态的切换N 口产喟洽汨IS弋黯巾眸眠期II.同步信口2.信道预*3.信道分配 标窗口U约窗口 调度腐口!火，Cfi5VgiABF*-2糜何稠39/ 9图2多信道MAC协议实现过程示意图F ig.2 P ro loco I demonstrate现在对照图2详

4、细描述协议实现的过程.4.1 同步信标窗口在每个通信周期开头是同步信标窗口.簇内各成员节点首先在自己内部唤醒时 钟的控制下醒来，打开无线收发器并调整到控制信道,侦听控制信道上的数据信息.这 时簇头节点在此窗口时间内通过控制信道发送同步信标数据.各节点根据该信标数 据设置下一个通信周期的唤醒时间.137110期陈迅等:无线传感器网络多信道接入控制协议4.2 信道预约窗口在信道预约窗口时间内，簇头节点切换到接收状态，侦听控制信道的上的数据.本 协议将该窗口再分成多个时隙，时隙的个数等于簇内成员节点的个数,每个成员节点 将分配到一个固定的时隙.簇头节点根据成员节点的I D号分配时隙，节点I D号最

5、小的将被分配到第一个时隙，反之最大的将被分配到最后一个时隙.各节点完全可以 根据簇建立时获取的信息来推算自己所分配的时隙.时隙的宽度可以根据实际能量 的消耗和特定收发器的性能参数加以确定.为了进一步降低控制信息的开销，我们在 簇内将每个节点所获的时隙的序号作为节点在簇内的识别代号.每个节点都保存一 个列表，该列表格每项记录的格式为（节点ID号，时隙编号），实现节点ID号与时隙 序号之间的映射.当节点有数据需要发送时，在为其分配的时隙内通过控制信道将信道预约包发 送给簇头节点.在其余的时间该节点关闭收发器进入睡眠状态减少能量的消耗.无数 据发送的节点，在整个信道预约窗口关闭无线收发器保持睡眠状态

6、.其目的同样也为 了减少能量的消耗.信道预约包由包类型，标志信息、目标节点信息、校验和等字段组成. 目标节点信息字段可以用该目标节点分配到的时隙序号来标识，因为一般节点的ID 号至少需要两字节（16位信息位表示，而采用时隙序号来表示只需要5位信息位表示. 大大降低了发送的信息量.同样由于发送信道预约包的时隙与节点I D号对应关系， 信道预约包内省略了表示源节点ID的字段，簇头节点依然可以根据发送信道预约 包的时隙来推测源节点ID号.信道预约包中标志信息字段包括两个特殊的标志位.1 .广播包标志，其占一个比特位，当其设为时，表示节点将要发送的是一个广播 数据包，反之为“0”时表示将要发送的是单播

7、数据包,以此在MAC层实现对广播的 简单支持.2 .数据包优先级标志，其占两个比特位，可以表示四个不同的优先级,从而在M A C层实现对Q oS的一些支持，为上层协议的设计提供了便利.经过信道预约窗口阶段后，簇头节点收集到簇内各节点发送的预约信息,开始进 行信道和资源的分配，并将结果通过信道分配调度窗口在簇内进行广播.3 .3信道分配调度窗口当信道预约窗口结束，进入到信道分配调度窗口，所有簇的成员节点在各自内部 的定时时钟的控制下醒来，并且依旧工作在控制信道上,监听并准备接收簇头节点发 送的信道调度信息包（以下简称调度控制包.当成员节点接收到调度控制包后，根据调 度包中信道分配信息，将无线收发

8、器切换到指定的频道，以便在数据传输窗口期完成 各自的数据通信工作.信道调度信息包由包类型、节点请求状态位图、附加信息、调度控制块 数目、调度控制块、校验和等字段组成.下面详细介绍信道分配和广播支持机 制以及调度控制包中各字段的含义.信道的分配:若信道预约的请求数小于可用信道数目时，分配信道较为简单，簇头 节点可以从现有的空闲信道资源中随机选择一个信道分配给预约信道的源节点和目 的节点.但是当信道预约请求的数目大于可用信道数目时，簇头节点首先根据信道预 约包中的优先级标志位的状态,给优先级高的请求节点优先分配信道资源，同时将暂 时无法满足的信道预约包保存在一个缓冲队列中.当后续的通信周期有空闲的

9、信道 资源时，簇头节点从队列中取回信道预约信息，对其分配信道资源.这些措施可以避免 信道预约包重发带来的能量浪费.本协议中节点没有固定的信道资源,每次都是根据 节点的预约信息动态的分配信道资源.这种方法提高了信道的利用率.簇头节点在调度控制包内有一个可选字段叫“节点请求状态位图”,当信道资源 完全满足节点请求时，该字段可以省略不发.当信道资源小于节点请求的数目时，该字 段包含在调度信息包中发出.该字段有4字节，共32比特.每个比特代表一个节点的 请求状态.当收到某个节点请求包时，簇头节点将该节点对应的数据位置否则置 “0”.未被分配信道资源的请求节点可以根据该字段了解信道预约包的接收的情况，来

10、 决定是在下个通信周期重新发送信道预约包，还是等待后续周期中簇头节点的信道 分配.调度控制包中调度块数目字段和调度控制块字段是用来指明信道调度的具体信 息,调度控制块的数目与实际分配的信道数量一致的，总数不超过系统可用的信道总 数.每个调度控制块主要有源节点标识字段，目的节点标识字段和分配的信道编号字 段.各源、目的节点就是根据控制块的信息，来调整各自的动作和状态.调度控制包中 的附加信息字段也是可选项.具体含义和用途在下面的文字中介绍.4 .4数据传输窗口在数据传输窗口阶段，分配到信道资源的节点对可以在指定信道上直接进行数 据交换，数据交换完成后源、目的节点立刻关闭无线收发器并进入睡眠状态.

11、若节点 未分配到信道资源或者无数据发送，则其在整个数据通信窗口期关闭无线收发器保 持睡眠状态，从而最大可能的节约节点能量.本文中的多信道M A C协议提供了对广播包的简单支持.当某个节点有广播包 需要发送时，将信道预约包内的广播标志位置力”.当簇头节点收到信道预约包后，优 先给该广播源节点分配信道资源.在数据传输窗口期，由簇头节点接收该广播源节点 发送的广播数据包，然后簇头节点在簇间通信会晤时间内,将该广播包发送给其他簇 头节点.在下一个通信活跃期，各簇头节点采用捎带技术，将该广播信息包作为附加信 息字段嵌入到调度控制包中，在信道调度控制窗口期随同调度信息在簇内广播.这种 方式既实现了 MAC

12、层对广播消息发送的支持，又不影响其他节点单播信息的发送. 与其他MAC协议相比，只有簇头节点才参与广播消息的转发,大大减少的广播包的 发送数量,节约节点的能量延长了节点寿命.图2中显示了一个具体的协议工作流程.节点1、2需要分别与节点7和8进行 通信，首先在经过同步信标窗口后,两源节点分别向簇头节点预约信道资源并指定目 的节点，然后簇头分配1号信道给源节点1和目的节点7,分配2号信道给源节点2 和目的节点8.这样在数据传输窗口,各通信对在各自拥有的信道上完成通信.2371小型微型计算机系统2007 年5仿真结果及讨论为了研究协议的性能，在OM N ET +环境下进行该协议的性能仿真，各初始参

13、数根据表1中的默认值进行设置.表1仿真参数T able 1 Si m ulati on param eter参数项参数值网络面积200米x200米正方形区域节点数目400节点布置随机散布通信速率250Kbp s工作电流:收发17.4毫安19.7毫安睡眠模式电流20微安通信半径30米通信负 荷2包节点秒数据包长322256字节5.1 能量有效性与信道数之间的关系在本实验中,我们将每发送一个字节有效数据的能量消耗作为考核的一个指标.该数值可以通过将系统中通信所消耗的总能量除以通 过M A C层发送出去的有效数据字节数计算出.本实验中我们设计数据包长度固定 为100字节,实验结果如图3所示，随着信道

14、的增加，数据包长度（字节）我们的多信道mac协议的图3能量有效性与信道数之间的关系F ig .3 Energy efficiency vs channel variety能量有效性在不断提高.当信道数从2个上升到20个时,每字节消耗的能量从 35微焦耳下降到接近5微焦耳.根据无线收发器的能耗参数，我们可以估算出无线收 发器每收发一个字节的数据需要消耗接近1.8微焦耳的能量源节点和目标节点传输 一个字节数据共需要消耗掉约3.6微焦耳的能量.当信道数量超过8个时，本文提出 的协议有效能量的利用率可以超过50%.同时我们发现随着信道数目进一步增加，能 量的利用率提高趋缓.这是因为此时控制开销在总的能

15、量消耗中占的比例在减少，能 量的利用率提高的幅度减缓.可见信道数目达到一定数量后，再增加信道的数量对于 能量有效性的提高就不太明显了.5.2 能量有效性与包长度的关系本实验项目中，我们在信道数为8个，数据包的长度从32字节增加到256字节的 条件下，研究协议能量有效性与数据包长度之间的关系，并与MM SN协议进行性能 比较.仿真结果如图4所示，整体来说本协议的能量有效性明显优于图4能量有效性与数据包长度之间的关系F ig .4 Energy efficiency vs packet lengthMM SN协议.这是由于协议利用簇头节点来协调簇内的通信，从而减少了网络的整体的空闲侦听的时间并延长

16、了节点的睡眠时间.我们同 时从图4中可以发现，随着包长度的增加.两协议的能量有效性均有不同的增加.这是 由于网络用于有效数据传输的时间增加，同时空闲侦听的时间减少，使得有效能量的 消耗增力，无效能量的消耗减少，从而协议整体的能量有效性得到了提高53网络吞 吐量本实验中,我们在不同的包长度和不同的网络负载的情况下研究协议的吞吐量.用宰身炯丽M描画即颂由西河河=曲晦毒H学加 网 近涎）一安,四2*波实验中信道的数目仍为8个信道，同时通过改变网络中数据源节点的数量来实 现不同网络负载的情况来考察网络的吞吐性能.图5吞吐量与数据源节点之间的关系F ig .5 T h roughput vs sourc

17、e node从图5可以看出网络的数据吞吐量开始会随着数据源的增加而提高，这是因为 有更多的节点参与了通信.由于多信道条件下，在同一个通信空间范围内，允许多个节 点对构成的多个通信链路同时工作，从而增加了网络的吞吐量.同时从图5337110期陈 迅等:无线传感器网络多信道接入控制协议1734小型微型计算机系统2007年我们可以发现,网络的吞吐量不会随着数据源的增加，无限制的提高.这是 由于信道资源必定是有限的,过多的数据源或过重的负荷会在网络中形成拥塞的现 象,使得网络吞吐量达到饱和,无法进一步提高.本协议不会出现一些基于竞争的随 机接入协议中出现的那种由于拥塞现象而导致吞吐量的下降的情况,这是

18、由于簇头 节点起到了信道分配协调作用.源节点发送信道预约请求后,一旦簇头分配了信道 资源给该节点,其就可以在数据传送窗口时间内,独占该信道进行数据传输,不会发 生数据包的碰撞.而且信道预约包也是在各自独占的时隙槽内进行,同样避免了碰 撞.因此网络可以充分利用信道资源,不会由于数据包的碰撞降低网络性能.5. 4 消息广播的能量消耗和网络寿命在此项实验中我们研究本协议在实现消息广播时 的能量消耗和网络的寿命,并与MM SN协议做了比较研究.如图6所示，在采用 MM SN协议的网络中广播一个消息包的能量得到了节约,延长了网络的寿命.并且 该协议利用动态的信道分配方式,提高了多信道的利用率,避免了数据

19、包碰撞冲突， 提高了网络的吞吐量.仿真实验结果表明我们的协议达到了较好的能量有效性和较 高的吞吐量.最后本协议还对数据包广播提供了有效的支持,减少网络进行广播时 的能量消耗.将来我们将进一步研究多信道MAC协议对Q oS和高层协议的支持, 从而能够进一步提高无线传感器网络的性能和寿命.References: 1 A kyild izIF, Su W , Cayirci E, ct al W ircless sen so r nct2 . w o rk s: a su rvcy J . Com p u ter N ctw o rk s ( E Isevier Jou mal, 2002, 38

20、(4 : 3932422. 2 Ye W , H eidem ann J , E strin D. M ed ium access con tro 1 w ith co 2 o rd inated adap tive sleep ing fo r w ireless sen so r netw o rk s J . 506. 3 R ajend ran V , O b raezka K, J J , et al Energy 2efficien t, co lli2 . | 4 | Bao L, J J , Garcia 2 una2 ceves. A new app roach to cha

21、nnel L A ternational Conference on M ob ile Com p u ting and N etw o rk ing, w o rk energy con sum p tion u sing a w akeup rad io J . 7 D am T V , L angendoen K. A n adap tive energy2efficien (MAC 180. Hoc N etw o rk ing and Com p u ting, M ay 2004. m un ication p ro toco 1 fb r w ireless m icro sen

22、 so r netw o rk s C . System Sciences, 2000, 1210. fo r m u lti2hop w ireless netw o rk sC . In: P roc. IEEE W CN C, 2004, 111021115. ing and M ob ile Com p u ting, vo 1 2, 2005, 9802984. A rch itectu res, A Igo rithm s and N etw o rk s, 2000, 2322237. 10 W u S 2 , L in C 2Y, T seng Y 2C, et al A ne

23、w m u lti2channel. L hop m ob ile ad hoc netw o rk s C . In t zSym po sium on Parallel I IEEE P roceed ing s of the H aw aii In ternational Conference on w o rk s: hand ling m u lti2channel h idden term inals u sing a sing le tran sceiver C . A CM In tcrnational Sym po sium on M ob ile A d T ran sac

24、tion s on M ob ile Com p u ting, M ay 2005, 4 (3 : 2282242. |C |. IEEE Infocom , A p ril, 2006. frequency m ed ia access con tro 1 fo r w ireless sen so r netw o rk s signm en t based M A C ( PCAM 2a m u Itichannel M A C p ro toco 1 2000, 21022211. IEEE 5M iller M J, V aidya N H. A M A C p ro toco I

25、 to reduce sen so r net2 | 9 | J ungm in So, N itin V aidya. M u lli2channelM A C fo r ad hoc net2 sion 2free m ed ium access con tro 1 fb r w ireless sen so r netw o rk s C . In: P roc. A CM SenSys 03, N ovem ber 2003, 1812192.图 6 一次数据广播 的能量消 耗 F ig. 6 Energy con sum p tion p er b roadca st 图 7 网络

26、寿命 F ig. 7 N etw o rk lifeti e m消耗大约为0. 6焦耳，而采用本协议的网络能量消耗约为0. 01焦耳,两者 相差的大约40倍.其原因是在本协议中通过簇头节点代替普通节点转发广播包,很 大程度上降低了广播包的收发数量,从而大幅度降低了用于消息广播的能量消耗. 考虑到簇头节点的能量消耗,一般采取网络内节点轮流担当簇头的方式,平衡节点 的能耗,避免担当簇头的节点过早的能量耗尽而失效.在对网络寿命进行研究时，仿 真的基本条件如表1所示,通信的信道数目仍为8个,数据包长度为100字节,并且 数据源由98%单播数据源和2%广播数据源构成.图7中的仿真结果显示本文提 出的协议

27、明显优于MM SN协议,与之相比网络寿命提高了大约2倍.这是由于本 文的MCMAC协议,通过各簇头节点进行信道分配和接入控制，减少了网络内各 节点的空闲侦听时间,延长了各节点的睡眠时间,并且避免了数据发送的碰撞冲突，1(D ep a rt m en t of Co mp u ter S cience &E ng ineering ,F ud an U n iversity ,S hang ha i 200433,Ch ina2(S chool of E lectron ics &Inf or m a tion ,J iang su U n iversity of S cience &T ech

28、nology ,Z hcnj iang 212003,Ch inaAbstract:Based on the p resent M A C p ro toco Is fo r w ireless senso r netw o rk s and A d 2hoc netw o rk s and taken into account the restricti ons in w ireless senso r netw o rk s and the characteristic of the m ulti 2channel comm unicati on .T h is paper p ropo

29、ses a si m 2p le and effectiveM ulti 2ChannelM A C p ro toco I fo r ireless senso r netw o rk .T he si m ulati on result show s that p ro toco limp roves th roughput and energy efficiency ,at the sam e ti m e ,p ro longs the netw o rk lifeti m e .Key words :w ireless senso r netw o rk s ;m ulti 2cha

30、nncl ;edia access contro 1 (M A C ;th roughput ;energy efficiency1引言随着微机电技术、计算机技术和无线通信技术的发展，推动了低功耗多功能无 线传感器的发展.无线传感器网络是由大量无线传感器节点构成的自组织多跳通信 网络.无线传感器网络的节点一般是由电池供电,由于网络部署所处环境的特殊性造 成节点的电池难以或者无法替换更新.一旦电池耗尽则节点就无法继续工作成为了 失效节点.虽然无线传感器网络中的节点是大量冗余部署的，个别节点的功能丧失一 般不会影响到整个网络的运作,但是一旦失效节点的数目达到一定的数量，必然会影 响到网络的正常运作

31、甚至造成网络瘫痪.所以说能量有效性是进行无线传感器网络 设计时需要优先考虑的问题之一.许多研究表明在无线传感器网络中节点用于通信的能量消耗远远高于用于 CPU及其他电路能量的消耗1.通信协议的好坏直接影响到网络的寿命，一个简单有 效的通讯协议可以大大减少能量的消耗,延长网络的使用寿命.媒介接入控制(M A C 从而延长了各节点的工作时间,最终达到了延长网络的寿命的目的.6结束语本文 针对无线传感器网络提出了一种新颖的多信道M A C协议,能量有效性 是本协议设计首要考虑的因素.本协议利用簇头节点作为信道分配的调度节点，减 少网络整体的空闲侦听时间并延长了节点的睡眠时间,从而使得能量明显【6 |

32、 Zhou Gang, H uang Cheng 2du, Yan T ing, et al MM SN : m u lti2 . 8 Pathm asu tharam J S, D as A , Gup ta A K. P rim ary channel as2 11 Zhang F , D eng G Y. P robab ilistic tim e synch ron ization in w ire2 12 H einzelm an W R , Chand rakasan A , et al Energy 2efficien t com 2 . p ro toco 1 fo r w i

33、reless sen so r netw o rk sC . T he F irsl A CM Con 2 less sen so r netw o rk sC |. W ireless Comm un ication s, N etw o rk 2 M A C p ro toco 1 w ith on 2dem and channel assignm en t fo r m u Iti2 ferenceon Em bedded N etw o rked Sen so r System s, 2003, 1712 access schcdu ling fo r ad hoc netw o rk

34、 s|C |. Seven th A nnual In 2 IEEE A CM T ran saction s on N etw o rk ing, 2004, 12 (3:4932协议是通信协议栈中重要的一层协议,对于无线传感器网络，该层协议设计首要考虑 的也是能量有效性的问题,其次才是可扩展性和公平性.M A C协议必须能够在保障 网络正常通信的前提下，使无线传感器节点的电能消耗达到最小，从而延长无线传感 器节点的工作时间和整个网络的使用寿命.2技术背景无线传感器网络通信过程中节点除了用于数据收发所必须消耗的能量外，还有 因为数据碰撞和控制开销等因素弓I起的其它方面的能量消耗.我们一般将造

35、成这种 能量的消耗的原因分成4种类型：1 .数据碰撞（data co llisi on :当一个接收节点同时处于两个发送节点的覆盖范围 之内时，若这两个发送节点同时向接收节点发送消息包，则消息包会在空中发生碰撞, 从而导致该消息无法被接收方节点正确接收.为了完成数据的成功发送，发送方必须 重新发送消息包，数据包的重发必然造成节点能量过多的消耗.研究者往往采用基于 竞争的退避算法来减小这种碰撞情况的发生几率，例如二进制指数退避算法、倍数 增线性减避退算法等.2 .串音（overhearing:当一个节点接收和处理的不是发送给该节点的数据包时，就 造成了无效的数据接收和处理,带来了不必要的能量消耗

36、.小型微型计算机系统 Journal of Ch incsc Computer System s 2007 年 10 月第 10 期 Vol l28No.1020073 .空闲侦听（idle listening:节点在不需要发送数据时仍然要保持对无线信道 的侦听，以便接收可能传输给自己的数据，但是过度的空闲侦听必然造成节点能量的 浪费.所以必须采取有效的措施，以尽量减少网络空闲侦听，节约能量.4 .控制开销（contro 1 overhead:用于协调各节点工作的各种控制包（如RTSCTS A CK,而非有效数据传送所消耗的能量开销.无线传感器节点的通信模块通常有发送、接收、空闲和睡眠几种工作

37、模式.前 三种模式电能的消耗相差不多，最后一种睡眠模式的电能消耗大约比前三种模块式 低三到四个数量级，由此可见在设计M A C协议时可以通过延长节点睡眠时间的方 法来提高节点的工作时间和网络寿命.2.1 无线传感器网络中的MAC协议为了能够在无线传感器网络能量约束和硬件资源约束的条件下实现有效的通信, 人们针对无线传感器网络的特点已经设计并提出了许多新颖的M AC协议,这些协 议可以被简单的分成以下四种类型.2.1.1 基于竞争的随机接入协议（CS M AS2M A C2协议既是最早被提出应用于无线传感器网络的M A C协议之一，也 是典型的基于竞争的随机接入协议S2MAe协议为了节省能量，使

38、无线传感器网络 中的各节点实行间歇的工作模式,一个通信周期分成活跃期和睡眠期.只有在活跃期， 各节点之间才可以通过R ST CST A CK等控制信息包进行握手,然后相互发送数据， 从而进行有效的数据通信.一旦进入睡眠期各节点关闭电源进入睡眠状态，以达到节 约能量的目的.邻居节点之间需要一定的同步控制机制，使得邻居节点的活跃期能够 做到同步.T2M A C协议是S2M A C改进版本,其进一步缩短了传感器节点的空闲 侦听时间，减少了无线传感器网络中的能量消耗,延长了网络的寿命.2.1.2 基于时分的接入协议（TDM A为了完全避免数据包的碰撞，许多基于TDM A机制的M A C协议被提出 来.

39、TRAM A3是其中具有代表性的协议,TRAM A协议主要由邻居协议、调度交换 协议和自适应时隙选择算法三部分构成.其原理是将通信时间分成连续的时隙，然后 根据两跳内邻居节点的信息，采用分布式选举机制为每个时隙，选择一个唯一的发送 者，并避免把时隙分给无数据发送的节点.与此同时让无数据发送和接收的节点处于 睡眠状态以达到节约能源的目的.2.1.3 基于唤醒无线电的信道接入（based on w ake2up radi o M A C p ro toco 1 协议5该类协议要求节点除了具有用于传输有效数据的数据收发器外，还需要一个专 用于唤醒目的节点的低功耗收发器（称为唤醒收发器.该收发器只能发

40、送和接收唤醒 信号，不能够传送具有实质性内容的数据信息.当节点平时无数据发送时，各节点关闭 高能耗高速率的数据收发器，同时间歇的打开低能耗的唤醒收发器.如果节点有数据 要发送，则就通过唤醒收发器发送一定时间长度的唤醒脉冲，以便周围节点都能够接 收到唤醒信号.一旦目的节点收到唤醒信号就选择合适的时机将数据收发器打开，然 后通过数据收发器进行握手联系从而实现有效的数据交换.以上三类协议主要针对单信道通信模式下的媒介接入控制，对于多信道的通信 模式未加以考虑和利用,所以无法很好的适应多信道环境下媒介接入控制的需求.目 前有些协议考虑到了收发器支持多信道的特点，例如标准，但是这类协 议只是在物理层考虑

41、到对多信道的特性的利用，而在MAC层对于多信道的特性未 加以有效的利用.2.1.4 基于多信道的（Multi-Channel接入协议最近出现了一种基于多信道的M AC协议MM SN6,该协议基于通信频道固 定分配机制和竞争接入机制，实现了多信道环境下的媒介的接入控制.MM SN协议 需要节点间的时间同步机制.以便相邻节点的通信周期同步.MM SN协议首先给无 线传感器网络中的节点分配固定的信道资源.相邻节点分配到不同的信道资源,从而 避免相邻节点的通信冲突.然后MM SN协议将每个通信周期分成广播竞争阶段和 单播竞争阶段.在广播竞争阶段所有节点竞争同一个广播通信频道.而在单播竞争阶 段节点竞争

42、各自目标节点的通信频道.该协议由于基于竞争方式不可避免的会出现 数据的碰撞和一定的隐藏终端的问题，同时它在频道资源的利用率和能量有效性上 有待进一步提高.2.2 Ad-Hoc网络中的多信道MAC协议在A d2Hoc网络中已经提出了很多基于多信道的MAC协议，在此我们只作简 单介绍.这些协议根据无线收发器性能和数量大致可以分成两个大类.2.2.1 多信道2多收发器类这类协议要求每个节点至少装有两个或两个以上的半双工的无线收发器，并且 节点可以同时在多个信道上进行数据的发送或接收.PCAM8,DCA10,都属于这样 的类型.这种类型对硬件资源有较高的需求，节点需要装配多个无线收发器.提高了节 点的

43、复杂度和成本.2.2.2 多信道2单收发器类这类协议中每个节点只装配了一个半双工的无线收发器，无线收发器可以动态 的在各通信频道之间切换.由于是半双工，所以节点不能同时进行数据的发送和接 收.MM A Q9协议就是基于多信道单收发器的协议，但是该协议用于接入控制的开 销过大，难于满足无线传感器网络能量受限的要求.总的来说，针对A d2Hoc网络设计的多信道MAC协议，不能直接应用于无线传 感器网络的原因主要有以下三点.首先，针对A d2Hoc网络设计的MAC协议首要考虑的是吞吐量、接入延时、 公平性等性能参数，能量的消耗往往处于次要考虑的位置.但是能量有效性是无线传 感器网络中首要考虑的问题，

44、它直接关系到无线传感器网络的实用性.如果将A d2Hoe网络中的多信道M A C协议直接用到无线传感器网络中，必导致节点能量在 短时间内迅速被耗尽，造成网络瘫痪.其次，一些多信道MAC协议需要每个节点装配多个无线收发器.由于收发器数 目的增加不但增加了节点的能量消耗.而且增加的了单个节点的成本.对于一个大规 模的无线传感器网络来说，传感器节点的成本是一个重要而且敏感的因素，过高的节 点成本必然会限制无线传感器网络的应用和发03712007 年03712007 年小型微型计算机系统展.而实践证明单收发器提供多信道的功能不会对无线收发器成本有明显提高, 这也为多信道收发器在无线传感器网络中的使用提

45、供的了经济上的可能性.最后，由于无线传感器网络中的数据包尺寸相对比较小,而传统A d2Hoc网络的 多信道M A C协议中的控制包开销比较大.若将这些协议直接应用到无线传感器网 络中,将严重影响网络的通信性能，降低网络中能量使用的效率.因此我们需要针对无线传感器网络自身特点,设计一个简单有效的多信道M A C协议.3多信道M AC协议（M CM AC的设计框架本文提出一个基于簇的多信道MAC协议,其提高了节点在通信过程中的能量 有效利用率和网络的吞吐量，减少了能量的消耗，延长了节点和网络的寿命.3.1 假设条件在提出本多信道MAC协议之前，本节先给出无线传感器网络和节点实现本协 议所需要具备的

46、几个假设条件. 无线传感器节点装备有一个可支持多信道通信的半双工无线收发器,其每个 信道的带宽都是相同的，信道之间频谱相互不重叠.目前具有多信道功能的无线收发 器很多，其中常见的有ch i peon的CC2420,freescale的M C13192等. 多信道被分成多个数据信道和一个控制信道.数据信道只能够传输数据包，控 制信道可用于传输控制包和数据包. 无线收发器信道切换的时间延时低于200微秒,无线收发器的发送延时低于 200微秒（从关闭状态到正常发送状态的切换时间|13. 通过一定的时钟同步协议可以使簇内的各成员节点的时钟同步精度达到0.1 毫秒11. 根据一定的分簇算法将无线传感器网

47、络分成多个重叠的簇，假设每个簇的成 员最多不超过32个,且所有成员节点都是其簇头节点的一跳邻居节点.为了便于簇头 节点之间进行同步和控制信息的交换.要求簇头节点之间的通信距离是普通成员节 点之间通信距离的两倍. 文中将源节点和目的节点称为节点对或通信对，其之间构成的是一条通信链 路.3.2 协议框架无线传感器网络中的所有传感器节点根据一定生成簇的算法,我们对L EA CH12算法稍作修改，将网络分成多个重叠覆盖的簇.每个簇由一个作为簇头的节点 和多个簇的成员节点构成.簇头节点在簇内作为多信道M A C协议的仲裁协调节点, 用来管理簇内节点的通信.使一个节点可以同时加入相邻的两个簇，从而我们可以

48、通 过这些节点完成簇间的通信，类似这样的节点我们可以称其为网关节点.为了使得各 节点的能量消耗达到平衡,簇头节点实现轮换机制.至于簇的建立和簇头节点的选举 算法不是本文的重点，所以在此不过多的阐述，只作为本文的假设的前提条件.能量消耗是无线传感器网络中首要考虑的问题，所以我们在每个簇内部实现类 似S2M A C的间歇的工作周期以减少能量的浪费.如图1所示每个通信周期分成活 跃期和睡眠期.在每个活跃期再分成四个窗口，其分别为同步信标窗口，信道预约窗口, 信道分配调度窗口和数据传送窗口.通过这样的框架以实现延长节点的睡眠时间和 网络寿命目标图1通信帧结构F ig. 1 Comm unicati on fram e structure网络在分成多个相互有重叠的簇后.相邻簇头节点之间协商各簇的活跃期和睡 眠期的时机,使相邻簇交替的进入活跃期，以避免相邻簇互相干扰.因为每个簇的活跃 期都很短而睡眠周期相对较长，所以相邻的各簇头可以在共同的簇内通信睡眠期内， 选择一个时间进行簇间同步信息和控制信息的通信，文章中称这时间为簇头会晤时 间.簇头之间的通信是在控制信