無(wú)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(dòng)通信等諸多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在諸如工業(yè)自動(dòng)化、分布式系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息物理系統(tǒng)等源自于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念的興起，無(wú)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限的背景下，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載多變的特點(diǎn)，研究具

2、有負(fù)載自適應(yīng)能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入層協(xié)議，并通過(guò)大量的硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)方面:
　　1.針對(duì)無(wú)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(wèn)題，提出了利用節(jié)點(diǎn)隊(duì)長(zhǎng)信息來(lái)減少數(shù)據(jù)包在MAC層發(fā)送隊(duì)列中積壓的方法來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化。簇頭節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)包的同時(shí)能夠得知節(jié)點(diǎn)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(shí)隙給節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)首先在CSAM時(shí)

3、段內(nèi)將自己的負(fù)載信息告知路由節(jié)點(diǎn)，然后再由簇頭節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)周期的TDMA時(shí)段內(nèi)分配動(dòng)態(tài)時(shí)隙給子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的協(xié)議的有效性。
　　2.針對(duì)多跳mesh型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中帶寬受限的問(wèn)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(lái)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的低負(fù)載，并采用動(dòng)態(tài)TDMA時(shí)隙分配來(lái)應(yīng)對(duì)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(shí)就分配傳輸時(shí)隙，因此它具有非常低的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和極短的MAC隊(duì)長(zhǎng)。另外，本文還證明了iQueue-MAC能夠適用于使用單信道的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。所設(shè)計(jì)的多跳負(fù)載自適應(yīng)MAC協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(duì)認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道資源利用率較

5、低的問(wèn)題，提出了一種輕量級(jí)的擁塞控制協(xié)議來(lái)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(shí)，該協(xié)議能夠引導(dǎo)次設(shè)備節(jié)點(diǎn)退出主信道來(lái)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(shí)，該協(xié)議能夠在主信道上重新安插次設(shè)備節(jié)點(diǎn)用以提高主信道的利用率。所設(shè)計(jì)的擁塞控制協(xié)議被成功地在STM32W108節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(duì)認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道資源利用率最優(yōu)