無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是嵌入式系統(tǒng)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及微機(jī)電系統(tǒng)等學(xué)科互相融合、滲透而產(chǎn)生的新技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過隨機(jī)部署的節(jié)點(diǎn)以無線通信的方式自組織組網(wǎng)，完成對環(huán)境數(shù)據(jù)的長時間自動監(jiān)測、采集和傳輸。得益于這些優(yōu)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。
　　介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control, MAC）協(xié)議協(xié)調(diào)分配眾多節(jié)點(diǎn)接入公用的信道，決

2、定了節(jié)點(diǎn)的信道獲取方式，是決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)協(xié)議之一。同時由于MAC協(xié)議直接操作傳感器節(jié)點(diǎn)的最大能耗部件——射頻模塊，因而研究高效MAC協(xié)議是延長節(jié)點(diǎn)壽命的有效途徑。本文緊扣節(jié)能這一基本原則，圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡這一基本特性對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議展開研究。文章建立了MAC協(xié)議的理論模型，深入分析影響協(xié)議性能的原因，針對現(xiàn)有工作中存在的理論模型不夠完善、協(xié)議性能隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化不夠魯棒等問題，提出了相應(yīng)的解決方法并

3、做了一些有益的嘗試。本文的主要工作包括以下幾個方面：
　　1）對現(xiàn)有 MAC協(xié)議進(jìn)行了分類總結(jié)，按照協(xié)議提出的順序和繼承關(guān)系給出了協(xié)議發(fā)展的路線圖；對典型MAC協(xié)議進(jìn)行了原理分析和優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)；對幾種經(jīng)典協(xié)議在不考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)沖突的設(shè)定下進(jìn)行了建模；基于建立的模型并根據(jù)CC2430的參數(shù)對各個協(xié)議進(jìn)行了包括空閑偵聽、網(wǎng)絡(luò)延時和節(jié)點(diǎn)能耗在內(nèi)的性能分析與比較。
　　2）依據(jù)節(jié)點(diǎn)在一個周期內(nèi)可以進(jìn)行多次收發(fā)、在退避過程中可以偵聽信道并

4、接收數(shù)據(jù)的設(shè)定，建立了一個精確的同步競爭協(xié)議模型。模型中根據(jù)一個描述節(jié)點(diǎn)退避狀態(tài)的Markov鏈得出了節(jié)點(diǎn)在退避、接收和發(fā)送狀態(tài)的概率；根據(jù)一個描述節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的Markov鏈得出了處于節(jié)點(diǎn)空閑狀態(tài)的概率與進(jìn)入退避發(fā)送狀態(tài)的概率以及數(shù)據(jù)包服務(wù)時間的關(guān)系；然后根據(jù)這兩個Markov鏈得出了包括吞吐量、延時和節(jié)點(diǎn)能耗的網(wǎng)絡(luò)性能表達(dá)式?；贜S2的仿真結(jié)果驗證了模型的正確性。
　　3）建立了一個完善的、精確的異步 MAC協(xié)議模型。該模型

5、完善了現(xiàn)有工作中不考慮節(jié)點(diǎn)一個周期發(fā)送多個數(shù)據(jù)和不考慮隱藏節(jié)點(diǎn)的缺陷。模型建立了一個表示節(jié)點(diǎn)緩沖隊列長度的Markov鏈，然后據(jù)此計算了節(jié)點(diǎn)緩沖隊列在各個長度的概率、節(jié)點(diǎn)接入信道的概率和每個周期成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率并得出了節(jié)點(diǎn)性能表達(dá)式。仿真結(jié)果表明本文的模型比現(xiàn)有模型更精確。
　　4）鑒于異步協(xié)議簡單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，設(shè)計了一種輕量級的、能量最優(yōu)的貪婪偵聽異步MAC協(xié)議——AA-MAC。協(xié)議根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載自適應(yīng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)偵聽時間，

6、并給出了最優(yōu)貪婪偵聽時間和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的關(guān)系。仿真結(jié)果表明在13個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時單個數(shù)據(jù)包能耗比X-MAC減少70％以上；協(xié)議能效性隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而提高。
　　5）鑒于AA-MAC更適用于高負(fù)載、節(jié)點(diǎn)密集網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計了一種基于短前導(dǎo)序列的自適應(yīng)偵聽間隔異步MAC協(xié)議——AX-MAC。協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)在一段時間內(nèi)接收到數(shù)據(jù)的狀態(tài)，設(shè)計了一個雙閾值的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載判決機(jī)制并據(jù)此自適應(yīng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)偵聽間隔。給出了一個基于M

7、arkov鏈的偵聽間隔轉(zhuǎn)換模型，推導(dǎo)了協(xié)議閾值與節(jié)點(diǎn)偵聽間隔的關(guān)系。仿真結(jié)果表明協(xié)議閾值能夠按預(yù)期調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)偵聽間隔；無論在何種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，通過選擇合適的閾值，協(xié)議都可以獲得較好的網(wǎng)絡(luò)性能。
　　6）鑒于異步協(xié)議在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中效率較低的特點(diǎn)，設(shè)計了一種多信道、多模式的混合MAC協(xié)議——MCH-MAC。協(xié)議利用同步低功耗偵聽和時分復(fù)用兩種工作模式解決了協(xié)議在對不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件的適應(yīng)性；根據(jù)節(jié)點(diǎn)的流量設(shè)計了一種局部的時隙分配策略，解決了