無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層和傳輸層協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是由許多資源受限的節(jié)點組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，在環(huán)境監(jiān)測、軍事管理、工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單個節(jié)點的能量和處理能力比較有限，節(jié)點通常需要通過協(xié)作的方式感知、采集和處理信息并發(fā)送給匯聚節(jié)點，故此類網(wǎng)絡(luò)對能耗、延遲、可靠性等方面性能有較高的要求，從而對協(xié)議設(shè)計工作提出很大的挑戰(zhàn)。目前業(yè)界對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究取得了一定進(jìn)展，但是仍有很多關(guān)鍵問題未得到完善解決，阻礙其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

2、，本文主要針對其中的MAC協(xié)議性能分析建模、流量自適應(yīng)MAC協(xié)議設(shè)計、匯聚節(jié)點的TCP協(xié)議設(shè)計等關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究，主要的研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下：
　　 1.誤碼信道下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議性能建模以及消息傳遞機(jī)制最優(yōu)分割次數(shù)分析。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境惡劣，無線信道誤碼率較高的特點，首先采用馬爾可夫鏈和排隊理論對傳統(tǒng)協(xié)議S-MAC進(jìn)行理論建模和性能分析，其次考慮信道誤碼條件和每個分割的短包存在重傳限制的條件下，對無線傳感器

3、網(wǎng)絡(luò)中消息傳遞機(jī)制(message passing)進(jìn)行理論建模得到能耗、延遲和吞吐率三種性能的表達(dá)式。分析結(jié)果表明在誤碼條件下使得能耗、延遲和吞吐率性能最高時存在最優(yōu)的分割次數(shù)。最后在此基礎(chǔ)上分別針對能耗、延遲和吞吐率理論計算最優(yōu)分割次數(shù)，并通過數(shù)值擬合得到誤碼率和最優(yōu)分割次數(shù)的關(guān)系曲線，從而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)誤碼信道下協(xié)議設(shè)計提供較好理論依據(jù)。
　　 2.提出了兩種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng)高效MAC協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的

4、數(shù)據(jù)流量隨時間和空間經(jīng)常變化，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能低下，針對此問題本文提出兩種MAC協(xié)議：一種為適合大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)的基于局部感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng) MAC協(xié)議(VLA-MAC)，通過在線測量節(jié)點MAC隊列緩沖區(qū)長度以及節(jié)點的數(shù)據(jù)包到達(dá)速率進(jìn)行自適應(yīng)控制，在高流量時采用突發(fā)模式傳輸數(shù)據(jù)包，而在低流量的時采用選擇性喚醒機(jī)制提高協(xié)議性能；另一種為適合于層次結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于分簇控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效MAC協(xié)議(CBA-MAC)，將網(wǎng)

5、內(nèi)節(jié)點分成許多簇，采用簇頭節(jié)點和簇內(nèi)普通節(jié)點聯(lián)合完成局部流量自適應(yīng)，然后通過簇頭問協(xié)作形成高效簇間通信。通過ns-2下進(jìn)行詳細(xì)仿真實驗和性能測試并和傳統(tǒng)協(xié)議對比，結(jié)果表明高流量下VLA-MAC的延遲大幅度降低，并能在一定程度上降低能耗，低流量下的能耗顯著降低且不增加額外的延遲。而CBA-MAC相比傳統(tǒng)協(xié)議，高流量下延遲降低了60-70％，低流量下的能耗降低了40-60％。
　　 3.提出一種適合匯聚節(jié)點的基于瓶頸鏈路帶寬估計的T

6、CP算法(TCP Yolanda)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點通常采用無線鏈路和外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信并需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)特點，以瓶頸鏈路緩沖區(qū)長度測量值為參數(shù)，采用分階段方式控制擁塞避免階段擁塞窗口增長方式，使節(jié)點能保持在較高的發(fā)送速率狀態(tài)，同時在發(fā)生丟包時能區(qū)分丟包原因并將傳輸恢復(fù)到高效狀態(tài)，使得TCP傳輸性能得到較大提升。實驗結(jié)果表明相比傳統(tǒng)協(xié)議，TCP Yolanda帶寬測量更加準(zhǔn)確，發(fā)送過程更加穩(wěn)定，在誤碼率變化情況下吞吐率有20％-