單收發(fā)器多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究.pdf

1、隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能的要求越來越高。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的單信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議由于自身信道資源利用率不高的特點(diǎn)而造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能受到嚴(yán)重影響的現(xiàn)象而逐漸被淘汰。多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議能夠在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及丟包率等網(wǎng)絡(luò)性能，并且可以解決因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間相互干擾嚴(yán)重而造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓等問題。對(duì)于多信道無

2、線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議能否協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)公平的使用無線信道資源，能否保障通信信道的服務(wù)質(zhì)量（QOS），能否提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能，能否最大限度的利用有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。通過對(duì)現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析可知，現(xiàn)有協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能在很多情況下無法滿足人們對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，加上?duì)硬件成本的考慮，因此提出一種高效的單收發(fā)器多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議具有重要的意義。在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MA

3、C協(xié)議需要解決的問題進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議。
　　本課題的主要研究工作包括：針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議中普遍存在的因信道負(fù)載分布不均而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生碰撞，從而造成丟包率嚴(yán)重以及數(shù)據(jù)吞吐量較小的問題，本文提出了一種基于蟻群算法的負(fù)載均衡信道分配策略，利用蟻群算法啟發(fā)式搜索的優(yōu)勢(shì)，通過調(diào)整揮發(fā)因子、殘留因子以及啟發(fā)因子等參數(shù)，不斷向信道負(fù)載分布最均

4、衡的情況逼近。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于信道間干擾嚴(yán)重而造成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較高的問題，本文提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)制，采用經(jīng)過多次BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我學(xué)習(xí)的措施，將預(yù)測(cè)干擾嚴(yán)重的信道過濾掉，不參與信道分配的過程。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)普遍存在的因廣播包在網(wǎng)絡(luò)中過度積累造成廣播效率低下的問題，本文采用了基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最小生成樹的廣播機(jī)制，按照行成最小生成樹的算法，形成基于最小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的廣播樹，從而在保證廣播覆蓋率的前提下，達(dá)到降低廣播時(shí)延

5、的目的，進(jìn)而提升廣播效率。針對(duì)部分協(xié)議因時(shí)間同步機(jī)制精確度不夠造成的信道協(xié)商效率較低的問題，為實(shí)現(xiàn)更精確的時(shí)間同步機(jī)制本文采用了雙向報(bào)文交互和參數(shù)擬合相結(jié)合方法，通過最小二乘法線性擬合的方式得到參數(shù)更加精確的時(shí)間同步方程，從而可以提升時(shí)間同步機(jī)制的精確度。針對(duì)信道接入時(shí)延較長(zhǎng)的問題，本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的CSMA/CA信道接入機(jī)制，通過自適應(yīng)的調(diào)整退避指數(shù)以及競(jìng)爭(zhēng)窗口長(zhǎng)度的大小能夠有效的降低信道的接入時(shí)延。并結(jié)合本文提出的MAC協(xié)議的特點(diǎn)對(duì)

6、幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。
　　通過NS2實(shí)驗(yàn)表明：本文設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、丟包率等網(wǎng)絡(luò)性能方面與典型的多信道MMAC協(xié)議及應(yīng)用最為廣泛的單信道IEEE802.15.4協(xié)議相比，都有了很大程度的提升。通過相關(guān)硬件實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的單收發(fā)器多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與傳統(tǒng)的IEEE802.15.4議相比可以有效減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和抗干擾能力。從而證明本文設(shè)計(jì)的單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議能夠滿足實(shí)際應(yīng)用