監(jiān)測類應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低延時MAC協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測類應(yīng)用中，節(jié)點監(jiān)測到相關(guān)事件發(fā)生后，需要盡快將監(jiān)測數(shù)據(jù)情況上報至控制中心。該類應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠喑尸F(xiàn)為包含鏈?zhǔn)胶蛥R聚的復(fù)雜拓?fù)湫问健Ｔ阪準(zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，?jié)點周期性睡眠，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸延時隨著節(jié)點數(shù)目增加而增大;在匯聚網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，?jié)點若同步工作，則兄弟節(jié)點同時競爭信道，引起網(wǎng)絡(luò)擁塞;節(jié)點若異步工作，則因子節(jié)點需要分時分別與父節(jié)點，通過發(fā)送前導(dǎo)序列建立通信，所以速度較慢。針對低延時信道媒體介入控制(MAC)協(xié)議的研究，在監(jiān)測

2、類應(yīng)用中具有現(xiàn)實意義。
　　本論文概述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測類應(yīng)用案例，歸納了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點工作方式，以及對網(wǎng)絡(luò)低延時的要求。針對鏈?zhǔn)酵負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)，研究了節(jié)點睡眠設(shè)置、位置探測，及同步幀傳輸、數(shù)據(jù)包接力傳輸方法。針對匯聚拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，研究了網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，及擁塞探測、緩解、數(shù)據(jù)包迸發(fā)傳輸方法;研究了節(jié)點異步通信及提高異步通信效率的方法。論文的主要工作與創(chuàng)新點如下:
　　(1)提出多次邀請多次傳輸機制，設(shè)計多次邀請通信MAC協(xié)議(MR

3、-MAC):通過父節(jié)發(fā)起邀請，使多個子節(jié)點，按順序進行多數(shù)據(jù)包集中傳輸;解決了監(jiān)測類場景中，監(jiān)測數(shù)據(jù)異步匯聚傳輸?shù)拈L延時問題。仿真結(jié)果顯示，在21個節(jié)點組成的匯聚拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，MR-MAC較X-MAC，可降低數(shù)據(jù)包平均傳輸延時約31.42％，較RI-MAC，數(shù)據(jù)包平均傳輸延時降低約15.57％。
　　(2)改進了節(jié)點自適應(yīng)競爭窗口算法并結(jié)合迸發(fā)傳輸機制，設(shè)計擁塞緩解MAC協(xié)議(CA-MAC):使節(jié)點根據(jù)自身緩存數(shù)據(jù)包數(shù)量，自動調(diào)整競

4、爭窗口，提高緩存數(shù)據(jù)包較多節(jié)點的數(shù)據(jù)包傳遞率。同時采用了節(jié)點迸發(fā)傳輸機制，加快了節(jié)點對緩存數(shù)據(jù)包的排空速度;解決了監(jiān)測類場景中，報警數(shù)據(jù)同步匯聚傳輸?shù)拈L延時及丟包問題。仿真結(jié)果顯示，在8節(jié)點組成的匯聚拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，提高數(shù)據(jù)包傳遞率10％至20％時，采用自適應(yīng)競爭窗口機制的S-MAC，數(shù)據(jù)包平均傳輸延時較S-MAC增加約45.98％，CA-MAC數(shù)據(jù)包平均傳輸延時較S-MAC，降低約63.74％。
　　(3)改進鏈?zhǔn)酵負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)多跳接力傳

5、輸機制，設(shè)計多跳傳輸MAC協(xié)議(LC-MAC):通過信道預(yù)約、多數(shù)據(jù)包接力傳輸，降低了數(shù)據(jù)包的多跳傳輸延時;解決了監(jiān)測類場景中，報警數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)絺鬏數(shù)拈L延時問題。仿真結(jié)果顯示，在9跳鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)中，LC-MAC較帶自適應(yīng)偵聽的S-MAC，數(shù)據(jù)包平均傳遞延時降低約39.84％，較DMAC降低約17％。
　　論文綜合以上研究內(nèi)容，通過搭建硬件平臺，實現(xiàn)面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測類應(yīng)用的低延時MAC，并在硬件平臺上進行了組網(wǎng)驗證。實測結(jié)果表明，MR