高能效低延遲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議研究.pdf

1、隨著微電子、嵌入式計(jì)算、集成電路、無線通信以及傳感器等技術(shù)的日益成熟與不斷進(jìn)步，由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難預(yù)報(bào)和智能交通等諸多領(lǐng)域，成為當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
　　介質(zhì)訪問控制協(xié)議作為傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層基礎(chǔ)協(xié)議，決定著傳感器節(jié)點(diǎn)如何共享無線信道，其功能包括為傳感器節(jié)點(diǎn)分配有限的無線通信資源和調(diào)度節(jié)點(diǎn)訪問無線信道，直接影響網(wǎng)絡(luò)通信性能，是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要研究方向之一。

2、r>　　IEEE802.11介質(zhì)訪問控制協(xié)議由于其空閑偵聽導(dǎo)致大量的能量浪費(fèi)，并不適用于節(jié)點(diǎn)能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，研究人員在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議中引入了占空比機(jī)制，用于減少節(jié)點(diǎn)空閑偵聽能量浪費(fèi)。然而占空比機(jī)制卻帶來了額外的數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸延遲，雖然目前已提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議采用多種優(yōu)化機(jī)制來減少數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸延遲，以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日益增長的低延遲需求，但是針對不同應(yīng)用，仍然具有進(jìn)一步

3、優(yōu)化的空間。
　　本文圍繞能耗與延遲這兩個(gè)關(guān)鍵問題，重點(diǎn)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于競爭的介質(zhì)訪問控制協(xié)議，提出了多個(gè)高能效低延遲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，本文主要取得以下研究成果：
　　(1)面向傳感器網(wǎng)絡(luò)事件檢測應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)需求，提出一種基于時(shí)隙預(yù)留機(jī)制的同步介質(zhì)訪問控制協(xié)議SR-MAC。該協(xié)議在每個(gè)工作周期的睡眠階段內(nèi)為節(jié)點(diǎn)預(yù)留多個(gè)時(shí)隙，同時(shí)采用跨層優(yōu)化機(jī)制，調(diào)度節(jié)點(diǎn)在睡眠階段的預(yù)留時(shí)隙內(nèi)對多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文

4、進(jìn)行多跳無碰撞轉(zhuǎn)發(fā)。SR-MAC協(xié)議不僅可以確保節(jié)點(diǎn)高能效，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更低的事件傳輸延遲，更高的事件傳輸率以及更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　　(2)分析傳感器網(wǎng)絡(luò)異步介質(zhì)訪問控制協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸延遲較大的原因，提出一種跨層優(yōu)化異步介質(zhì)訪問控制協(xié)議REA-MAC。該協(xié)議利用跨層路由信息決定節(jié)點(diǎn)的周期性喚醒時(shí)間，在數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的節(jié)點(diǎn)依次先后喚醒對數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸延遲。此外，節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)時(shí)間與其接收節(jié)點(diǎn)

5、喚醒時(shí)間之間的時(shí)序關(guān)系，自適應(yīng)確定何時(shí)喚醒偵聽信道，減少發(fā)送節(jié)點(diǎn)空閑偵聽導(dǎo)致的能量浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)低功耗。
　　(3)針對傳感器網(wǎng)絡(luò)猝發(fā)通信的特點(diǎn)，提出一種自適應(yīng)信標(biāo)時(shí)間異步介質(zhì)訪問控制協(xié)議OEL-MAC。在該協(xié)議中，接收節(jié)點(diǎn)基于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整自己的信標(biāo)時(shí)間，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以盡快將接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而減少數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸延遲。另一方面，節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，OEL-MAC協(xié)議調(diào)度發(fā)送節(jié)點(diǎn)在接收節(jié)點(diǎn)喚醒之前一點(diǎn)

6、喚醒偵聽信道，從而減少發(fā)送節(jié)點(diǎn)空閑偵聽能量浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量的目的。
　　(4)提出一種基于偽隨機(jī)數(shù)的兩跳優(yōu)化異步介質(zhì)訪問控制協(xié)議THO-MAC。在該協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用偽隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生其周期性喚醒時(shí)間序列。發(fā)送節(jié)點(diǎn)一旦獲取接收節(jié)點(diǎn)的偽隨機(jī)數(shù)生成器參數(shù)，即可以通過準(zhǔn)確預(yù)測接收節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間來調(diào)度其喚醒偵聽信道的時(shí)間，從而減少空閑偵聽能量浪費(fèi)，降低節(jié)點(diǎn)功耗。另一方面，THO-MAC協(xié)議利用傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密集部署的特性，在發(fā)送節(jié)