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

1、隨著微電子、嵌入式計算、集成電路、無線通信以及傳感器等技術的日益成熟與不斷進步，由大量傳感器節(jié)點構成的無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、災難預報和智能交通等諸多領域，成為當今網(wǎng)絡技術的研究熱點。
　　介質訪問控制協(xié)議作為傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的底層基礎協(xié)議，決定著傳感器節(jié)點如何共享無線信道，其功能包括為傳感器節(jié)點分配有限的無線通信資源和調度節(jié)點訪問無線信道，直接影響網(wǎng)絡通信性能，是當前無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的主要研究方向之一。

2、r>　　IEEE802.11介質訪問控制協(xié)議由于其空閑偵聽導致大量的能量浪費，并不適用于節(jié)點能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的特性，研究人員在無線傳感器網(wǎng)絡介質訪問控制協(xié)議中引入了占空比機制，用于減少節(jié)點空閑偵聽能量浪費。然而占空比機制卻帶來了額外的數(shù)據(jù)報文傳輸延遲，雖然目前已提出的傳感器網(wǎng)絡介質訪問控制協(xié)議采用多種優(yōu)化機制來減少數(shù)據(jù)報文傳輸延遲，以滿足無線傳感器網(wǎng)絡應用日益增長的低延遲需求，但是針對不同應用，仍然具有進一步

3、優(yōu)化的空間。
　　本文圍繞能耗與延遲這兩個關鍵問題，重點研究無線傳感器網(wǎng)絡基于競爭的介質訪問控制協(xié)議，提出了多個高能效低延遲無線傳感器網(wǎng)絡介質訪問控制協(xié)議，本文主要取得以下研究成果：
　　(1)面向傳感器網(wǎng)絡事件檢測應用中節(jié)點多個數(shù)據(jù)報文的轉發(fā)需求，提出一種基于時隙預留機制的同步介質訪問控制協(xié)議SR-MAC。該協(xié)議在每個工作周期的睡眠階段內為節(jié)點預留多個時隙，同時采用跨層優(yōu)化機制，調度節(jié)點在睡眠階段的預留時隙內對多個數(shù)據(jù)報文

4、進行多跳無碰撞轉發(fā)。SR-MAC協(xié)議不僅可以確保節(jié)點高能效，同時可以實現(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)絡吞吐量。
　　(2)分析傳感器網(wǎng)絡異步介質訪問控制協(xié)議數(shù)據(jù)報文傳輸延遲較大的原因，提出一種跨層優(yōu)化異步介質訪問控制協(xié)議REA-MAC。該協(xié)議利用跨層路由信息決定節(jié)點的周期性喚醒時間，在數(shù)據(jù)報文轉發(fā)路徑上的節(jié)點依次先后喚醒對數(shù)據(jù)報文進行連續(xù)轉發(fā)，從而降低數(shù)據(jù)報文傳輸延遲。此外，節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)報文到達時間與其接收節(jié)點

5、喚醒時間之間的時序關系，自適應確定何時喚醒偵聽信道，減少發(fā)送節(jié)點空閑偵聽導致的能量浪費，從而實現(xiàn)節(jié)點低功耗。
　　(3)針對傳感器網(wǎng)絡猝發(fā)通信的特點，提出一種自適應信標時間異步介質訪問控制協(xié)議OEL-MAC。在該協(xié)議中，接收節(jié)點基于發(fā)送節(jié)點的信標時間自適應調整自己的信標時間，使發(fā)送節(jié)點可以盡快將接收到的數(shù)據(jù)報文進行轉發(fā)，從而減少數(shù)據(jù)報文傳輸延遲。另一方面，節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，OEL-MAC協(xié)議調度發(fā)送節(jié)點在接收節(jié)點喚醒之前一點

6、喚醒偵聽信道，從而減少發(fā)送節(jié)點空閑偵聽能量浪費，達到節(jié)省節(jié)點能量的目的。
　　(4)提出一種基于偽隨機數(shù)的兩跳優(yōu)化異步介質訪問控制協(xié)議THO-MAC。在該協(xié)議中，每個節(jié)點利用偽隨機數(shù)生成器產生其周期性喚醒時間序列。發(fā)送節(jié)點一旦獲取接收節(jié)點的偽隨機數(shù)生成器參數(shù)，即可以通過準確預測接收節(jié)點的喚醒時間來調度其喚醒偵聽信道的時間，從而減少空閑偵聽能量浪費，降低節(jié)點功耗。另一方面，THO-MAC協(xié)議利用傳感器網(wǎng)絡節(jié)點密集部署的特性，在發(fā)送節(jié)