無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)信道接入層協(xié)議研究.pdf

1、由于具有易安裝、易維護(hù)和支持移動通信等諸多優(yōu)點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在諸如工業(yè)自動化、分布式系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、國防軍事、環(huán)境監(jiān)測等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息物理系統(tǒng)等源自于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念的興起，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被視為21世紀(jì)最為重要的技術(shù)之一。
　　信道接入層協(xié)議在維護(hù)和保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能和正常運(yùn)作等諸多方面起著極為關(guān)鍵的作用。本文考慮在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限的背景下，針對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載多變的特點，研究具

2、有負(fù)載自適應(yīng)能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入層協(xié)議，并通過大量的硬件實驗驗證了所提出的協(xié)議和優(yōu)化方法的有效性。本文的主要貢獻(xiàn)有如下幾個方面:
　　1.針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用低占空比式運(yùn)作方式而引入的低吞吐量問題，提出了利用節(jié)點隊長信息來減少數(shù)據(jù)包在MAC層發(fā)送隊列中積壓的方法來提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬，以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動態(tài)變化。簇頭節(jié)點在接收數(shù)據(jù)包的同時能夠得知節(jié)點的負(fù)載狀況，并在下一超幀周期內(nèi)分配相應(yīng)數(shù)目的傳輸時隙給節(jié)點。節(jié)點首先在CSAM時

3、段內(nèi)將自己的負(fù)載信息告知路由節(jié)點，然后再由簇頭節(jié)點在下一個周期的TDMA時段內(nèi)分配動態(tài)時隙給子節(jié)點用以傳輸積壓的數(shù)據(jù)。所提出的負(fù)載自適應(yīng)MAC協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點上進(jìn)行了實現(xiàn)。大量實驗結(jié)果驗證了所提出的協(xié)議的有效性。
　　2.針對多跳mesh型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中帶寬受限的問題，提出了iQueue-MAC負(fù)載自適應(yīng)MAC協(xié)議。該MAC協(xié)議采用低占比的CSMA模式來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中的低負(fù)載，并采用動態(tài)TDMA時隙分配來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)

4、中的突發(fā)負(fù)載和高負(fù)載。由于iQueue-MAC能夠在數(shù)據(jù)積壓一出現(xiàn)時就分配傳輸時隙，因此它具有非常低的數(shù)據(jù)傳輸時延和極短的MAC隊長。另外，本文還證明了iQueue-MAC能夠適用于使用單信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。所設(shè)計的多跳負(fù)載自適應(yīng)MAC協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點上進(jìn)行了實現(xiàn)。大量實驗結(jié)果驗證了，相比于其它協(xié)議，iQueue-MAC協(xié)議具有突出的性能并能夠提供很高的帶寬。
　　3.針對認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道資源利用率較

5、低的問題，提出了一種輕量級的擁塞控制協(xié)議來提升頻段資源的利用率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的主信道的擁塞度較高時，該協(xié)議能夠引導(dǎo)次設(shè)備節(jié)點退出主信道來降低擁塞度，并保障主設(shè)備的性能。當(dāng)主信道的擁塞度較低時，該協(xié)議能夠在主信道上重新安插次設(shè)備節(jié)點用以提高主信道的利用率。所設(shè)計的擁塞控制協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點上進(jìn)行了實現(xiàn)。大量實驗結(jié)果驗證了該擁塞控制協(xié)議能夠極大地提升信道帶寬的有效利用率。
　　4.針對認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道資源利用率最優(yōu)