基于競(jìng)爭(zhēng)和TDMA的混合型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是新興的特殊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是基于應(yīng)用的特殊的大規(guī)模分布式無線網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為21世紀(jì)最有影響力的、改變世界的10大技術(shù)之一，有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域有具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向任務(wù)，綜合了傳感檢測(cè)、控制、嵌入式計(jì)算、無線通信、分布式信息處理等跨領(lǐng)域技術(shù)，它具有快速組網(wǎng)、高效節(jié)能、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的無

2、線通信網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有明顯的特殊性，節(jié)點(diǎn)的資源相當(dāng)有限，節(jié)能效率成首要的性能指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備良好的可擴(kuò)展性以適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)?。介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議決定無線信道的使用方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有重要影響，而傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議無法滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊需求，需要針對(duì)具體的應(yīng)用模型設(shè)計(jì)專門的MAC協(xié)議。現(xiàn)有的大部分WSN MAC協(xié)議普遍采用單純的基于競(jìng)爭(zhēng)或基于TDMA調(diào)度的方式，很難在各個(gè)性

3、能指標(biāo)中取得較好平衡，而倍受學(xué)者關(guān)注的結(jié)合兩者的混合型機(jī)制是高效WSN MAC的研究趨勢(shì)和可行的解決方案，富有挑戰(zhàn)性和實(shí)際意義。 本文研究基于競(jìng)爭(zhēng)和TDMA的混合型WSN MAC協(xié)議，主要工作有：（1）綜合分析了經(jīng)典的競(jìng)爭(zhēng)型的和TDMA方式的WSN MAC協(xié)議，著重分析了典型的混合型協(xié)議μ-MAC；（2）在深入研究μ-MAC的基礎(chǔ)上，指出其不足及局限性，并從兩方面進(jìn)行改進(jìn)研究：增強(qiáng)改進(jìn)μ-MAC得到Eμ-MAC協(xié)議；對(duì)μ-MAC

4、自適應(yīng)化改造，使其能適應(yīng)于動(dòng)態(tài)流量的數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用，得到Aμ-MAC協(xié)議。文中對(duì)兩方面改進(jìn)研究的提出點(diǎn)、設(shè)計(jì)及主要機(jī)制作了詳細(xì)闡述，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析μ-MAC及改進(jìn)協(xié)議的性能。 本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)及主要成果如下： （1）增強(qiáng)改進(jìn)μ-MAC，提出了Eμ-MAC協(xié)議，它在功能方面解決了μ-MAC作為前提假設(shè)的節(jié)點(diǎn)同步及動(dòng)態(tài)拓?fù)溥m應(yīng)性問題；在性能方面有效改善了μ-MAC的GT子信道效率較低的問題，使用一種改進(jìn)的信道結(jié)構(gòu)，

5、使無競(jìng)爭(zhēng)期完全由占網(wǎng)絡(luò)主流量的周期性報(bào)告調(diào)度使用，信道使用率得到明顯提高，并在競(jìng)爭(zhēng)期引入Timeout機(jī)制，進(jìn)一步限制了空閑偵聽?zhēng)淼念~外能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：增強(qiáng)型的協(xié)議Eμ-MAC在與μ-MAC同樣的應(yīng)用環(huán)境中，能以輕微的時(shí)延性能損失來?yè)Q取更優(yōu)的節(jié)能效率。 該研究成果已在核心期刊《計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究》發(fā)表論文一篇“Eμ-MAC：一種高效的混合型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議”。 （2）對(duì)μ-MAC進(jìn)行自適應(yīng)化改造，提出了Aμ-

6、MAC協(xié)議，它針對(duì)擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)流量的數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用，解決了μ-MAC的時(shí)鐘同步以及動(dòng)態(tài)拓?fù)溥m應(yīng)性的問題，并使用一種改進(jìn)的信道結(jié)構(gòu)和控制方式，改變了傳感器節(jié)點(diǎn)被動(dòng)作業(yè)的方式，而以環(huán)境事件為驅(qū)動(dòng)，由傳感器節(jié)點(diǎn)主動(dòng)產(chǎn)生作業(yè)任務(wù)和帶寬需求，主動(dòng)向基站預(yù)約帶寬和傳輸報(bào)告數(shù)據(jù)，并同時(shí)利用對(duì)發(fā)送緩沖器的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)流量感知，引入自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制，取得了良好的動(dòng)態(tài)流量自適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Aμ-MAC增強(qiáng)了協(xié)議的動(dòng)態(tài)流量適應(yīng)性，能以稍微降低節(jié)能效率來適應(yīng)負(fù)載