無線傳感器網絡自適應信道接入層協(xié)議研究.pdf

1、由于具有易安裝、易維護和支持移動通信等諸多優(yōu)點，無線傳感器網絡已經在諸如工業(yè)自動化、分布式系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、國防軍事、環(huán)境監(jiān)測等許多領域得到了應用。同時，隨著物聯(lián)網和信息物理系統(tǒng)等源自于無線傳感器網絡的概念的興起，無線傳感器網絡技術已經被視為21世紀最為重要的技術之一。
　　信道接入層協(xié)議在維護和保障無線傳感器網絡性能和正常運作等諸多方面起著極為關鍵的作用。本文考慮在無線傳感器網絡資源受限的背景下，針對網絡負載多變的特點，研究具

2、有負載自適應能力的無線傳感器網絡信道接入層協(xié)議，并通過大量的硬件實驗驗證了所提出的協(xié)議和優(yōu)化方法的有效性。本文的主要貢獻有如下幾個方面:
　　1.針對無線傳感器網絡采用低占空比式運作方式而引入的低吞吐量問題，提出了利用節(jié)點隊長信息來減少數據包在MAC層發(fā)送隊列中積壓的方法來提高網絡的帶寬，以應對網絡負載的動態(tài)變化。簇頭節(jié)點在接收數據包的同時能夠得知節(jié)點的負載狀況，并在下一超幀周期內分配相應數目的傳輸時隙給節(jié)點。節(jié)點首先在CSAM時

3、段內將自己的負載信息告知路由節(jié)點，然后再由簇頭節(jié)點在下一個周期的TDMA時段內分配動態(tài)時隙給子節(jié)點用以傳輸積壓的數據。所提出的負載自適應MAC協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點上進行了實現(xiàn)。大量實驗結果驗證了所提出的協(xié)議的有效性。
　　2.針對多跳mesh型無線傳感器網絡中帶寬受限的問題，提出了iQueue-MAC負載自適應MAC協(xié)議。該MAC協(xié)議采用低占比的CSMA模式來應對網絡中的低負載，并采用動態(tài)TDMA時隙分配來應對網絡

4、中的突發(fā)負載和高負載。由于iQueue-MAC能夠在數據積壓一出現(xiàn)時就分配傳輸時隙，因此它具有非常低的數據傳輸時延和極短的MAC隊長。另外，本文還證明了iQueue-MAC能夠適用于使用單信道的無線傳感器網絡。所設計的多跳負載自適應MAC協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點上進行了實現(xiàn)。大量實驗結果驗證了，相比于其它協(xié)議，iQueue-MAC協(xié)議具有突出的性能并能夠提供很高的帶寬。
　　3.針對認知無線傳感器網絡中信道資源利用率較

5、低的問題，提出了一種輕量級的擁塞控制協(xié)議來提升頻段資源的利用率。當網絡的主信道的擁塞度較高時，該協(xié)議能夠引導次設備節(jié)點退出主信道來降低擁塞度，并保障主設備的性能。當主信道的擁塞度較低時，該協(xié)議能夠在主信道上重新安插次設備節(jié)點用以提高主信道的利用率。所設計的擁塞控制協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點上進行了實現(xiàn)。大量實驗結果驗證了該擁塞控制協(xié)議能夠極大地提升信道帶寬的有效利用率。
　　4.針對認知無線傳感器網絡中信道資源利用率最優(yōu)