無線傳感器網(wǎng)絡介質(zhì)訪問控制協(xié)議關鍵技術研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的信息獲取、處理和傳輸技術。由于無線傳感器網(wǎng)絡具有節(jié)點的電源能量和硬件資源受限的特征，設計能量高效的通信協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡研究中具有挑戰(zhàn)性的研究課題，其中介質(zhì)訪問控制協(xié)議是通信協(xié)議中最為突出也是最為重要的關鍵協(xié)議之一。本文即對無線傳感器網(wǎng)絡介質(zhì)訪問控制協(xié)議進行了深入細致地研究。
　　 介質(zhì)訪問控制協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡研究領域的基礎協(xié)議和支撐技術。它主要協(xié)調(diào)節(jié)點競爭信道，為節(jié)點分配共享的無線信道資源，用于

2、創(chuàng)建整個網(wǎng)絡的基礎結構。其性能的好壞直接關系到無線信道的利用效率和整個網(wǎng)絡的性能。本文圍繞無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議性能優(yōu)化的關鍵問題，深入分析了影響MAC協(xié)議性能的本質(zhì)原因，針對現(xiàn)有工作中存在暴露終端引發(fā)的信道利用不充分問題、功率控制技術、對并行傳輸不夠理想和MAC協(xié)議跨層應用不完善等不足之處，提出了相應的解決辦法。
　　 首先，本文針對無線傳感器網(wǎng)絡多跳通信方式產(chǎn)生的暴露終端導致無線信道利用率低的問題，提出了一種基于地理位置信

3、息的高效并行傳輸MAC協(xié)議。該協(xié)議突破了傳統(tǒng)基于CSMA協(xié)議對并行傳輸?shù)南拗?，利用?jié)點地理位置信息實現(xiàn)暴露終端的并行傳輸，有效提高了寶貴無線信道資源的復用效率。文中根據(jù)節(jié)點的位置坐標對暴露終端節(jié)點并行傳輸?shù)目尚行赃M行了分析，并通過并行傳輸檢測完成傳輸過程。該協(xié)議中節(jié)點首先通過GPS或其他定位算法獲取當前的地理位置信息，然后根據(jù)位置信息識別自己暴露終端身份，只有通過并行傳輸檢測的暴露終端才能進行并行傳輸調(diào)度。為了避免多個并行傳輸之間發(fā)生沖

4、突，協(xié)議中增加了隨機退避機制，減少了數(shù)據(jù)發(fā)送沖突產(chǎn)生的能量消耗。與S-MAC協(xié)議比較，該協(xié)議能顯著提高網(wǎng)絡的平均吞吐量，降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲，有效提高了無線傳感器網(wǎng)絡效率和性能。
　　 然后，針對無線傳感器網(wǎng)絡能量受限的特征，采用博弈論的方法解決無線傳感器網(wǎng)絡中功率控制問題，以降低節(jié)點能量消耗。文中提出一種基于不完全信息非合作博弈的分布式功率控制算法，該算法以節(jié)點信噪比(SNR)為效用函數(shù)，實現(xiàn)節(jié)點在傳輸過程中選擇的功率策略能夠達

5、到最大的凈效益值，從而提高了網(wǎng)絡能量效率。文中應用貝葉斯納什均衡定理，進一步證明了本文提出的基于博弈理論的功率控制算法中納什均衡的存在性和唯一性。最后通過仿真實驗證明了本文所提出的功率控制算法的有效性。
　　 其次，針對節(jié)點密集部署的無線傳感器網(wǎng)絡中，傳統(tǒng)的基于競爭或調(diào)度的MAC協(xié)議會出現(xiàn)較低的吞吐量和累計延遲等問題。文中利用節(jié)點密集部署的無線傳感器網(wǎng)絡中普遍存在的捕獲效應對于MAC協(xié)議性能的影響，提出一種單信道模式下工作的并行

6、傳輸?shù)男滦透咝AC協(xié)議。在功率控制方面，運用第四章中提出的基于非合作不完全信息博弈算法模型，實現(xiàn)了多個節(jié)點在同一信道上采用最優(yōu)功率進行并行傳輸。通過仿真驗證該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)多個節(jié)點在干擾范圍內(nèi)并行的進行數(shù)據(jù)傳輸，顯著地提高網(wǎng)絡吞吐量、減少數(shù)據(jù)傳輸延遲并實現(xiàn)能量的高效利用，有效提高了信道資源的空間復用效率。
　　 最后，本文基于跨層設計優(yōu)化的思想，利用無線傳感器網(wǎng)絡相鄰層間的信息交互以實現(xiàn)網(wǎng)絡最優(yōu)的性能。文中提出了一種基于跨層優(yōu)化

7、的協(xié)議(ECL-MAC協(xié)議)，該協(xié)議利用了路由層和MAC層的信息進行聯(lián)合優(yōu)化。協(xié)議通過獲取路由層的路徑信息，能夠?qū)崿F(xiàn)從源節(jié)點開始到Sink節(jié)點，保持整個傳輸路徑上的節(jié)點為活動狀態(tài)，其他不參與通信的鄰居節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，而且實現(xiàn)了節(jié)點可以根據(jù)發(fā)送幀的類型不同，而選擇不同的傳輸功率級別，節(jié)省了節(jié)點能耗。實驗結果表明在不同的數(shù)據(jù)源節(jié)點數(shù)目、網(wǎng)絡密度和跳數(shù)等網(wǎng)絡環(huán)境下，ECL-MAC協(xié)議比較于MAC-CROSS協(xié)議和T-MAC協(xié)議，表現(xiàn)出更低的