無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取、處理和傳輸技術(shù)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)的電源能量和硬件資源受限的特征，設(shè)計(jì)能量高效的通信協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中具有挑戰(zhàn)性的研究課題，其中介質(zhì)訪問控制協(xié)議是通信協(xié)議中最為突出也是最為重要的關(guān)鍵協(xié)議之一。本文即對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議進(jìn)行了深入細(xì)致地研究。
　　 介質(zhì)訪問控制協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)協(xié)議和支撐技術(shù)。它主要協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道，為節(jié)點(diǎn)分配共享的無線信道資源，用于

2、創(chuàng)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其性能的好壞直接關(guān)系到無線信道的利用效率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。本文圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議性能優(yōu)化的關(guān)鍵問題，深入分析了影響MAC協(xié)議性能的本質(zhì)原因，針對(duì)現(xiàn)有工作中存在暴露終端引發(fā)的信道利用不充分問題、功率控制技術(shù)、對(duì)并行傳輸不夠理想和MAC協(xié)議跨層應(yīng)用不完善等不足之處，提出了相應(yīng)的解決辦法。
　　 首先，本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳通信方式產(chǎn)生的暴露終端導(dǎo)致無線信道利用率低的問題，提出了一種基于地理位置信

3、息的高效并行傳輸MAC協(xié)議。該協(xié)議突破了傳統(tǒng)基于CSMA協(xié)議對(duì)并行傳輸?shù)南拗疲霉?jié)點(diǎn)地理位置信息實(shí)現(xiàn)暴露終端的并行傳輸，有效提高了寶貴無線信道資源的復(fù)用效率。文中根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)對(duì)暴露終端節(jié)點(diǎn)并行傳輸?shù)目尚行赃M(jìn)行了分析，并通過并行傳輸檢測(cè)完成傳輸過程。該協(xié)議中節(jié)點(diǎn)首先通過GPS或其他定位算法獲取當(dāng)前的地理位置信息，然后根據(jù)位置信息識(shí)別自己暴露終端身份，只有通過并行傳輸檢測(cè)的暴露終端才能進(jìn)行并行傳輸調(diào)度。為了避免多個(gè)并行傳輸之間發(fā)生沖

4、突，協(xié)議中增加了隨機(jī)退避機(jī)制，減少了數(shù)據(jù)發(fā)送沖突產(chǎn)生的能量消耗。與S-MAC協(xié)議比較，該協(xié)議能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量，降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲，有效提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)效率和性能。
　　 然后，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的特征，采用博弈論的方法解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中功率控制問題，以降低節(jié)點(diǎn)能量消耗。文中提出一種基于不完全信息非合作博弈的分布式功率控制算法，該算法以節(jié)點(diǎn)信噪比(SNR)為效用函數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在傳輸過程中選擇的功率策略能夠達(dá)

5、到最大的凈效益值，從而提高了網(wǎng)絡(luò)能量效率。文中應(yīng)用貝葉斯納什均衡定理，進(jìn)一步證明了本文提出的基于博弈理論的功率控制算法中納什均衡的存在性和唯一性。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了本文所提出的功率控制算法的有效性。
　　 其次，針對(duì)節(jié)點(diǎn)密集部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的基于競(jìng)爭(zhēng)或調(diào)度的MAC協(xié)議會(huì)出現(xiàn)較低的吞吐量和累計(jì)延遲等問題。文中利用節(jié)點(diǎn)密集部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的捕獲效應(yīng)對(duì)于MAC協(xié)議性能的影響，提出一種單信道模式下工作的并行

6、傳輸?shù)男滦透咝AC協(xié)議。在功率控制方面，運(yùn)用第四章中提出的基于非合作不完全信息博弈算法模型，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一信道上采用最優(yōu)功率進(jìn)行并行傳輸。通過仿真驗(yàn)證該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)在干擾范圍內(nèi)并行的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯著地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減少數(shù)據(jù)傳輸延遲并實(shí)現(xiàn)能量的高效利用，有效提高了信道資源的空間復(fù)用效率。
　　 最后，本文基于跨層設(shè)計(jì)優(yōu)化的思想，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相鄰層間的信息交互以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的性能。文中提出了一種基于跨層優(yōu)化

7、的協(xié)議(ECL-MAC協(xié)議)，該協(xié)議利用了路由層和MAC層的信息進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。協(xié)議通過獲取路由層的路徑信息，能夠?qū)崿F(xiàn)從源節(jié)點(diǎn)開始到Sink節(jié)點(diǎn)，保持整個(gè)傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)為活動(dòng)狀態(tài)，其他不參與通信的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)發(fā)送幀的類型不同，而選擇不同的傳輸功率級(jí)別，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同的數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)密度和跳數(shù)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，ECL-MAC協(xié)議比較于MAC-CROSS協(xié)議和T-MAC協(xié)議，表現(xiàn)出更低的