無線傳感器網絡MAC協(xié)議高能效性能研究.pdf

1、無線傳感器網絡是近年來發(fā)展迅速、受到普遍關注的新興網絡，它的出現不僅促進了現代科技的快速發(fā)展，同時，也使人們的觀念產生了巨大的變化。與傳統(tǒng)的網絡不同，無線傳感器網絡技術將現代無線通信技術、微型傳感器技術和網絡技術有機地融為一體，在國防、環(huán)境檢測、家庭自動化、運輸和其它許多領域具有廣闊應用前景和極高應用價值。無線傳感器網絡由大量簡單廉價的具有無線通信能力和計算能力的傳感器節(jié)點組成，但是節(jié)點能量有限，無法長時間處于工作狀態(tài)。傳感器節(jié)點能量耗

2、盡意味著該節(jié)點將脫離網絡，導致網絡拓撲結構改變甚至網絡中斷，因此傳感器節(jié)點的能耗問題成為制約無線傳感器網絡協(xié)議設計的重要因素之一。
　　在無線傳感器網絡中，MAC協(xié)議可以分配有限的無線通信資源，決定節(jié)點無線收發(fā)機的工作方式，從而有效地控制傳感器節(jié)點的能量消耗。高能效的無線傳感器網絡MAC協(xié)議可以滿足無線傳感器網絡在低能耗狀態(tài)下進行高效數據通信的需求。本課題的研究內容將主要關注基于時隙接入類MAC協(xié)議中協(xié)調網絡能量與時延性能間的關系

3、、提高網絡生存壽命和降低單位數據傳輸能耗三方面能效問題，以優(yōu)化能量效率為首要設計目標，提出合理有效的改進方法，從而提高無線傳感器網絡的能效性能。
　　首先，圍繞無線傳感器網絡MAC協(xié)議設計方法，從MAC協(xié)議的基本概念出發(fā)，結合無線傳感器網絡MAC協(xié)議與傳統(tǒng)無線網絡之間的區(qū)別以及在協(xié)議設計上的限制，總結出無線傳感器網絡MAC協(xié)議設計的主要目標。本文還列舉典型傳感器網絡MAC協(xié)議——時隙接入類MAC協(xié)議，說明目前MAC協(xié)議的能量效率與

4、最優(yōu)化的性能還存在一定差距，主要表現在固定占空比引起的能耗與時延性能間難以優(yōu)化協(xié)調，虛擬簇結構中邊界節(jié)點能耗現象影響網絡壽命，以及無線收發(fā)機狀態(tài)頻繁轉換產生額外數據接收能耗這三方面影響能量效率的問題，為MAC協(xié)議高能效性能研究確定方向。
　　其次，針對固定占空比引起的能耗和時延性能間難以優(yōu)化協(xié)調，協(xié)議缺少靈活性的問題，提出一種基于網絡緩沖區(qū)隊列時延的動態(tài)占空比協(xié)議——QDSMAC（Queue Delay SMAC）協(xié)議。結合節(jié)點緩

5、沖區(qū)隊列時延和節(jié)點剩余能量，提出緩沖區(qū)隊列平均時延計算公式，以此來判斷網絡負載的變化程度。QDSMAC協(xié)議通過緩沖區(qū)隊列時延迅速準確的了解網絡負載變化，改變節(jié)點占空比，達到優(yōu)化協(xié)調網絡能耗和時延性能關系的目的。同時，QDSMAC協(xié)議還采用控制分組優(yōu)先廣播的方法，避免占空比改變后數據分組丟失的問題。
　　再次，針對簇形同步結構中存在的邊界節(jié)點能耗問題，提出一種基于虛擬簇融合的無線傳感器網絡同步算法。處于多個虛擬簇交界處的邊界節(jié)點為了

6、連接網絡必須在一個周期內同時遵循多個偵聽時間，消耗高于普通節(jié)點幾倍的能量，導致邊界節(jié)點過早的死亡帶來網絡拓撲的改變甚至網絡中斷。該算法通過樹形結構統(tǒng)計簇內節(jié)點總數，使每個節(jié)點掌握所在簇的尺寸信息。當相鄰簇的大小發(fā)生改變時，節(jié)點通過簇尺寸信息進行虛擬簇融合，有效的減少邊界節(jié)點的存在，延長網絡生存壽命。
　　最后，針對數據傳輸過程中無線收發(fā)機狀態(tài)頻繁轉換產生數據接收額外能耗的問題，提出基于數據片段標識的高能效數據傳輸FIMP（Frag