基于競爭和TDMA的混合型無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究.pdf

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

2、線通信網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡有明顯的特殊性，節(jié)點的資源相當有限，節(jié)能效率成首要的性能指標，網(wǎng)絡還應具備良好的可擴展性以適應動態(tài)拓撲。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，對網(wǎng)絡性能有重要影響，而傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的MAC協(xié)議無法滿足無線傳感器網(wǎng)絡的特殊需求，需要針對具體的應用模型設計專門的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爭或基于TDMA調(diào)度的方式，很難在各個性

3、能指標中取得較好平衡，而倍受學者關注的結合兩者的混合型機制是高效WSN MAC的研究趨勢和可行的解決方案，富有挑戰(zhàn)性和實際意義。 本文研究基于競爭和TDMA的混合型WSN MAC協(xié)議，主要工作有：（1）綜合分析了經(jīng)典的競爭型的和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的基礎上，指出其不足及局限性，并從兩方面進行改進研究：增強改進μ-MAC得到Eμ-MAC協(xié)議；對μ-MAC

4、自適應化改造，使其能適應于動態(tài)流量的數(shù)據(jù)采集型應用，得到Aμ-MAC協(xié)議。文中對兩方面改進研究的提出點、設計及主要機制作了詳細闡述，最后通過仿真實驗對比分析μ-MAC及改進協(xié)議的性能。 本文研究的創(chuàng)新點及主要成果如下： （1）增強改進μ-MAC，提出了Eμ-MAC協(xié)議，它在功能方面解決了μ-MAC作為前提假設的節(jié)點同步及動態(tài)拓撲適應性問題；在性能方面有效改善了μ-MAC的GT子信道效率較低的問題，使用一種改進的信道結構，

5、使無競爭期完全由占網(wǎng)絡主流量的周期性報告調(diào)度使用，信道使用率得到明顯提高，并在競爭期引入Timeout機制，進一步限制了空閑偵聽帶來的額外能耗。實驗結果表明：增強型的協(xié)議Eμ-MAC在與μ-MAC同樣的應用環(huán)境中，能以輕微的時延性能損失來換取更優(yōu)的節(jié)能效率。 該研究成果已在核心期刊《計算機應用研究》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MAC協(xié)議”。 （2）對μ-MAC進行自適應化改造，提出了Aμ-

6、MAC協(xié)議，它針對擴展的動態(tài)流量的數(shù)據(jù)采集型應用，解決了μ-MAC的時鐘同步以及動態(tài)拓撲適應性的問題，并使用一種改進的信道結構和控制方式，改變了傳感器節(jié)點被動作業(yè)的方式，而以環(huán)境事件為驅(qū)動，由傳感器節(jié)點主動產(chǎn)生作業(yè)任務和帶寬需求，主動向基站預約帶寬和傳輸報告數(shù)據(jù)，并同時利用對發(fā)送緩沖器的監(jiān)測實現(xiàn)流量感知，引入自適應調(diào)整機制，取得了良好的動態(tài)流量自適應性。實驗結果表明：Aμ-MAC增強了協(xié)議的動態(tài)流量適應性，能以稍微降低節(jié)能效率來適應負載