基于低時(shí)延和區(qū)分服務(wù)的中調(diào)整傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS保證MAC協(xié)議研究.pdf

1、中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)(Medium and High Rate Wireless Sensor Networks,MHR-WSN)與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比,增加了中高速傳感器硬件模塊,側(cè)重音頻、圖像、視頻等大信息量媒體的采集與處理,能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)粒度、高精準(zhǔn)的信息監(jiān)測(cè),可以突破傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展瓶頸,適用于快速移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合?？梢越鉀Q傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)無法移動(dòng)、能量消耗過快、數(shù)據(jù)傳輸速度較慢等諸多問題。
　　 介質(zhì)訪問控制(Me

2、dium Access Control,M.AC)協(xié)議,決定其無線信道的使用方式,在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源,用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議底層的數(shù)據(jù)鏈路層部分,對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有非常大的影響,是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。本課題研究的正是在中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)這種新興的無線網(wǎng)絡(luò)下的MAC協(xié)議的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保證問題。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包傳送

3、和區(qū)分服務(wù)是中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS保證MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)。
　　 本文針對(duì)中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,研究QoS保證的MAC協(xié)議,主要工作有:
　　 (1)從服務(wù)質(zhì)量的角度審視現(xiàn)有的路由,提出一種基于QoS意識(shí)的多路徑路由協(xié)議,目的是提供可靠的數(shù)據(jù)包傳送。為了保證可靠性,協(xié)議采用兩種機(jī)制,在同一時(shí)間多源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包到基站,減少碰撞的發(fā)生。首先是為不同源節(jié)點(diǎn)選擇完全不相交的多路徑。但如果沒有可用的不

4、相交多路徑,則QoSDM規(guī)劃不同源節(jié)點(diǎn)的傳輸,以避免共用節(jié)點(diǎn)瞬間從多個(gè)源節(jié)點(diǎn)接收大量的數(shù)據(jù)包。
　　 針對(duì)具體中高速應(yīng)用模型,采用跨層設(shè)計(jì)和混合型方案。對(duì)基于802.11e的EDCA機(jī)制進(jìn)行改進(jìn),使其支持多路徑多信道接入,在保持QoS區(qū)分服務(wù)等特性的基礎(chǔ)上,降低網(wǎng)絡(luò)整體丟包率。多信道采用通用控制信道確認(rèn)方式,在其幀中增加多路徑路由質(zhì)量信息,提供給信道接入,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量的變化實(shí)現(xiàn)最大重傳次數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。仿真結(jié)果表明,該算法既

5、保持中高速網(wǎng)絡(luò)中QoS區(qū)分服務(wù),保證不同業(yè)務(wù)的不同時(shí)延,又降低負(fù)載流量變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,保證高負(fù)載情況下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能。
　　 (2)提出一種基于節(jié)點(diǎn)任務(wù)活動(dòng)狀態(tài)感知(Task Activity Awareness)的MAC算法,通過收集節(jié)點(diǎn)自身及相鄰節(jié)點(diǎn)的不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)活動(dòng)狀態(tài)來估算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載來確定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道訪問的概率,以此降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,提高能量效率和吞吐量。針對(duì)協(xié)議中隱終端等干

6、擾對(duì)協(xié)議的影響,引進(jìn)MR防干擾方法,采用隱承認(rèn)機(jī)制,有效解決節(jié)點(diǎn)之間的干擾。仿真結(jié)果表明,提出的改進(jìn)方法可以大大降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,并通過消除不必要的碰撞來提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
　　 (3)因?yàn)閷?duì)協(xié)議改進(jìn)的過程中關(guān)注的是如何確定節(jié)點(diǎn)對(duì)信道訪問的概率,因此它可以有效地和其它的基于區(qū)分服務(wù)的MAC協(xié)議融合。在改進(jìn)的基于節(jié)點(diǎn)活動(dòng)任務(wù)感知算法的基礎(chǔ)上,提出一種數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)的MES-MAC協(xié)議。提供端到端延時(shí)的QoS支持,保證了中高速傳感器