基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)施研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一門具有高度發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用學(xué)科，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最為熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓展了人們的信息獲取能力，能夠?yàn)槿藗兲峁┳顬橹苯?、?zhǔn)確、真實(shí)的信息，因此具有十分廣泛的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、智慧城市、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC（介質(zhì)訪問控制層）協(xié)議對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能有著直接的影響，故而許多研究人員專注于對(duì)MAC協(xié)議的研究。
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2、AC協(xié)議通常有隨機(jī)多址和輪詢系統(tǒng)兩種控制方式，輪詢系統(tǒng)由于其公平性、控制的有效性，在計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)制造等方面有著廣泛的應(yīng)用，本文針對(duì)于輪詢系統(tǒng)進(jìn)行研究。輪詢系統(tǒng)一般由一個(gè)服務(wù)器和N個(gè)隊(duì)列構(gòu)成，主要分為門限、完全和限定(k=1)三類服務(wù)系統(tǒng)，輪詢系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)一般從查詢順序、服務(wù)策略等方面進(jìn)行。另外伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在軟件方面出現(xiàn)了大量開源的、半開源的以及商業(yè)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，在硬件方面出現(xiàn)了許多面向無線傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廉價(jià)、低功耗、高性能微處理器。本文在對(duì)現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合輪詢控制的思想，提出一種區(qū)分優(yōu)先級(jí)的輪詢控制MAC協(xié)議，以實(shí)際的硬件節(jié)點(diǎn)來探究MAC層協(xié)議改進(jìn)和對(duì)其性能的驗(yàn)證。本文基于此做了以下的研究：
　　1、研究了門限、完全、限定(k=1)三類輪詢系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過嵌入式馬爾可夫鏈和概率母函數(shù)的方法，對(duì)三類系統(tǒng)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均時(shí)延展開分析。
　　2、基于TinyOS的MAC

4、協(xié)議設(shè)計(jì)，在IEEE802.15.4 MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種以超幀為周期的MAC幀結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)工作過程中的輪詢控制功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
　　3、開發(fā)并實(shí)施了門限、完全、限定(k=1)三類輪詢系統(tǒng)，以CC2538節(jié)點(diǎn)作為硬件平臺(tái)，以TinyOS作為軟件平臺(tái)，結(jié)合改進(jìn)的MAC幀在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)施，通過計(jì)算分析三類輪詢系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)值與建立的數(shù)學(xué)模型理論值比較，結(jié)果表明建立的數(shù)學(xué)模型精確分析了三類輪詢系統(tǒng)的指標(biāo)。
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5、、研究了區(qū)分優(yōu)先級(jí)的輪詢控制系統(tǒng)，對(duì)區(qū)分優(yōu)先級(jí)的輪詢控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型并且在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)施了該系統(tǒng)，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)使用完全服務(wù)方式，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)使用門限服務(wù)方式，在MAC幀結(jié)構(gòu)中添加優(yōu)先級(jí)別字段標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)別，最終將計(jì)算得到的系統(tǒng)平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)和平均時(shí)延理論值和實(shí)驗(yàn)值與門限、完全、限定(k=1)三類輪詢系統(tǒng)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明區(qū)分優(yōu)先級(jí)的輪詢控制系統(tǒng)有效的區(qū)分了中心高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)和低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)，能夠保證高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)低優(yōu)