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

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

2、線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議能否協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點公平的使用無線信道資源，能否保障通信信道的服務質(zhì)量（QOS），能否提高網(wǎng)絡吞吐量、網(wǎng)絡傳輸時延等網(wǎng)絡性能，能否最大限度的利用有限的網(wǎng)絡帶寬資源已經(jīng)成為當前研究的熱點。通過對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡的分析可知，現(xiàn)有協(xié)議的網(wǎng)絡性能在很多情況下無法滿足人們對于無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，加上對硬件成本的考慮，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MAC協(xié)議具有重要的意義。在對無線傳感器網(wǎng)絡多信道MA

3、C協(xié)議需要解決的問題進行分析研究的基礎上，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：針對無線傳感器網(wǎng)絡多信道MAC協(xié)議中普遍存在的因信道負載分布不均而導致數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生碰撞，從而造成丟包率嚴重以及數(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，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)，不斷向信道負載分布最均

4、衡的情況逼近。針對無線傳感器網(wǎng)絡由于信道間干擾嚴重而造成的網(wǎng)絡時延較高的問題，本文提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的信道質(zhì)量預測機制，采用經(jīng)過多次BP神經(jīng)網(wǎng)絡自我學習的措施，將預測干擾嚴重的信道過濾掉，不參與信道分配的過程。針對無線傳感器網(wǎng)絡普遍存在的因廣播包在網(wǎng)絡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)絡時延最小生成樹的廣播機制，按照行成最小生成樹的算法，形成基于最小網(wǎng)絡時延的廣播樹，從而在保證廣播覆蓋率的前提下，達到降低廣播時延

5、的目的，進而提升廣播效率。針對部分協(xié)議因時間同步機制精確度不夠造成的信道協(xié)商效率較低的問題，為實現(xiàn)更精確的時間同步機制本文采用了雙向報文交互和參數(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)更加精確的時間同步方程，從而可以提升時間同步機制的精確度。針對信道接入時延較長的問題，本文設計了自適應的CSMA/CA信道接入機制，通過自適應的調(diào)整退避指數(shù)以及競爭窗口長度的大小能夠有效的降低信道的接入時延。并結(jié)合本文提出的MAC協(xié)議的特點對

6、幀結(jié)構(gòu)進行了相應的設計。
　　通過NS2實驗表明：本文設計的MAC協(xié)議在網(wǎng)絡吞吐量、網(wǎng)絡傳輸時延、丟包率等網(wǎng)絡性能方面與典型的多信道MMAC協(xié)議及應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。通過相關硬件實驗證明本文設計的單收發(fā)器多信道無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議與傳統(tǒng)的IEEE802.15.4議相比可以有效減小網(wǎng)絡傳輸時延，提高網(wǎng)絡吞吐量和抗干擾能力。從而證明本文設計的單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議能夠滿足實際應用