面向工業(yè)無線監(jiān)控的多信道MAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是一種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點不僅工作在低占空比模式，還需要在干擾環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、高效的傳輸。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制(MAC)協(xié)議的深入研究，多信道技術(shù)在抗干擾性和數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸方面的優(yōu)勢非常適合工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境和快速響應(yīng)的應(yīng)用需求。然而現(xiàn)有的多信道MAC協(xié)議還不能完全滿足大規(guī)模部署的工業(yè)無線監(jiān)控節(jié)點在干擾環(huán)境下數(shù)據(jù)低延遲傳輸?shù)男枨?，限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和響應(yīng)速度，因此有必要進行進一步研究。
　　本文對現(xiàn)有

2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議進行了深入的分析和研究，改進并設(shè)計了包括多信道接入機制、信道分配策略、多信道同步方案和不同業(yè)務(wù)模式下的低延遲數(shù)據(jù)傳輸機制，提高了低功耗MAC協(xié)議在干擾環(huán)境中雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t性能，實現(xiàn)了適合工業(yè)無線監(jiān)控場景多種業(yè)務(wù)模式需求的多信道MAC協(xié)議。論文的主要工作和貢獻如下:
　　1)改進設(shè)計了一種適用于工業(yè)現(xiàn)場同頻干擾環(huán)境的動態(tài)多信道分配機制(DMAM)。改善了突發(fā)同頻干擾時數(shù)據(jù)傳輸延遲大幅上升的問題，通過基于拉

3、丁矩陣序列的信道分配算法提升了節(jié)點在WiFi干擾時的跳頻效率，同時DMAM信道分配機制可以將更多的信道資源分配給高優(yōu)先級節(jié)點，提升了信道分配效率和抗干擾性。另一方面，針對工業(yè)無線節(jié)點的硬件特點改進并設(shè)計了一種多信道雙時鐘同步校準方案，在同步周期引入DMAM技術(shù)，實現(xiàn)了同步幀多信道發(fā)送。NS-2仿真和測試表明，在WiFi干擾場景中DMAM累計分布延遲較MuCHMAC和GBCA有超過22％和15％的優(yōu)勢，實證中多信道雙時鐘同步校準方案在同頻

4、干擾時保持了較FTSP方案更好的功耗精度比。
　　2)針對工業(yè)無線監(jiān)控節(jié)點周期性上傳數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)模式，改進設(shè)計了一種在節(jié)點休眠期預(yù)約數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘈诺繫AC機制(MLMAC)。通過多信道與TDMA相結(jié)合的預(yù)約機制，數(shù)據(jù)流之間平行傳輸、匯聚擁塞和外界同步頻干擾等問題得以大幅降低，從而提升了節(jié)點周期性數(shù)據(jù)的傳輸延遲。NS-2仿真顯示，在隨機場景下MLMAC相比于RMAC、MMSN傳輸延遲平均降低了39.4％、24.2％，與DMS-MAC延

5、遲和功耗相當。
　　3)針對工業(yè)無線監(jiān)控應(yīng)用中突發(fā)性事件時節(jié)點上傳批量數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)模式，改進設(shè)計了一種多信道MAC機制(MPR-MAC)，采用多信道MCRF預(yù)約幀，能夠?qū)⑴繑?shù)據(jù)整合傳輸，同時下行指令與預(yù)約幀合并傳輸，提升了雙向傳輸?shù)难舆t性能。通過NS-2測試表明，MPR-MAC在隨機場景下，相較于GBCA和EM-MAC方案傳輸延遲改善了29.5％和18.2％，且功耗最低。
　　論文綜合以上研究內(nèi)容，通過搭建了硬件實證平臺，實