無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議及跨層優(yōu)化的研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信、分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器相互協(xié)作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶(hù)終端，從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”，可以廣泛地應(yīng)用于軍事、環(huán)境科學(xué)、交通監(jiān)控、智能建筑等領(lǐng)域，具有很大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)許多相關(guān)技術(shù)內(nèi)容仍然處于探索階段

2、，比如：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)、能源管理、數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性等問(wèn)題。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有很大的研究意義。 MAC 協(xié)議控制著通信信道的分配，處于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能有較大的影響，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)之一。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)要盡可能地降低能耗來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，同時(shí)兼顧時(shí)延和吞吐量。另一方面，相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源有限，存在高誤碼率。傳統(tǒng)的嚴(yán)格分層設(shè)計(jì)方法不能很好地適應(yīng)無(wú)線通信的

3、特點(diǎn)，沒(méi)有充分利用網(wǎng)絡(luò)資源以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能。近年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)也成為了研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)，不少學(xué)者提出利用不同層次間的信息交互設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。本文從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議和跨層優(yōu)化的角度出發(fā)，進(jìn)行了如下研究： 第一，分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其它傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)使用電池供電，具有能量受限性質(zhì)。指出MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的各個(gè)因素，包括網(wǎng)絡(luò)生存期，能量利用率，端到端時(shí)延，吞吐量等。在

4、對(duì)已有MAC 協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)的同時(shí)，指出各個(gè)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，從而為設(shè)計(jì)新的MAC 協(xié)議打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 第二，分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的MAC 協(xié)議-SMAC 協(xié)議的不足之處，在此基礎(chǔ)上，為了減小網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，提高能量利用率，提出一種新的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議－流量自適應(yīng)的MAC 協(xié)議(TA-MAC)。SMAC 協(xié)議采用固定的占空比機(jī)制，而TA- MAC以隊(duì)列中排隊(duì)的分組數(shù)目來(lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量的變化，在偵聽(tīng)睡眠周期結(jié)構(gòu)中采用了流量自適應(yīng)

5、的占空比調(diào)整機(jī)制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量較大的時(shí)候，把一個(gè)長(zhǎng)的偵聽(tīng)睡眠周期分成幾個(gè)短的周期，從而提高占空比，在一個(gè)長(zhǎng)周期內(nèi)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。同時(shí)利用自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制，使一個(gè)分組在一個(gè)周期內(nèi)能傳送兩跳的距離，減小了時(shí)延。仿真結(jié)果驗(yàn)證，TA- MAC 減小了時(shí)延，降低了能量消耗。 第三，從負(fù)載均衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的角度出發(fā)，提出了一種新的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議－基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議(REA-MAC)。該協(xié)議改進(jìn)了SMAC

6、的競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制，首先是采用了動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)窗口調(diào)整的方法，節(jié)點(diǎn)在發(fā)生沖突時(shí)擴(kuò)大競(jìng)爭(zhēng)窗口大小，在發(fā)送成功時(shí)恢復(fù)到最初的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小，從而可以更好地減小沖突。其次考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量來(lái)動(dòng)態(tài)選擇競(jìng)爭(zhēng)退避時(shí)間，讓剩余能量大的節(jié)點(diǎn)獲得接入信道的控制權(quán)，而讓剩余能量小的節(jié)點(diǎn)只發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)，盡量避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，從而使全網(wǎng)負(fù)載均衡，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存期。仿真結(jié)果驗(yàn)證，REA-MAC 比SMAC 有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存期。 第四，論述了跨層優(yōu)化的分

7、類(lèi)和研究進(jìn)展，并提出對(duì)跨層優(yōu)化研究方向的見(jiàn)解。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)協(xié)議，路由層利用物理層剩余能量的信息來(lái)進(jìn)行路由的選擇，使剩余能量大的節(jié)點(diǎn)盡可能地承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，從而使全網(wǎng)負(fù)載均衡。MAC 層利用路由層的信息來(lái)判斷自己是否是此次通信的下一跳節(jié)點(diǎn)，如果不是，就可以直接進(jìn)入睡眠，從而避免不必要的空閑偵聽(tīng)，達(dá)到節(jié)省能量的目的。理論分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證，該跨層優(yōu)化協(xié)議有效地降低了能耗。 在最后部分，總結(jié)了全文，展望了