無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議高能效性能研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展迅速、受到普遍關(guān)注的新興網(wǎng)絡(luò)，它的出現(xiàn)不僅促進(jìn)了現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，同時(shí)，也使人們的觀念產(chǎn)生了巨大的變化。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)代無線通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地融為一體，在國防、環(huán)境檢測(cè)、家庭自動(dòng)化、運(yùn)輸和其它許多領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景和極高應(yīng)用價(jià)值。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量簡(jiǎn)單廉價(jià)的具有無線通信能力和計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，但是節(jié)點(diǎn)能量有限，無法長時(shí)間處于工作狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗

2、盡意味著該節(jié)點(diǎn)將脫離網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變甚至網(wǎng)絡(luò)中斷，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗問題成為制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的重要因素之一。
　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議可以分配有限的無線通信資源，決定節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)機(jī)的工作方式，從而有效地控制傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗。高能效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議可以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在低能耗狀態(tài)下進(jìn)行高效數(shù)據(jù)通信的需求。本課題的研究內(nèi)容將主要關(guān)注基于時(shí)隙接入類MAC協(xié)議中協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)能量與時(shí)延性能間的關(guān)系

3、、提高網(wǎng)絡(luò)生存壽命和降低單位數(shù)據(jù)傳輸能耗三方面能效問題，以優(yōu)化能量效率為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出合理有效的改進(jìn)方法，從而提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能效性能。
　　首先，圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)方法，從MAC協(xié)議的基本概念出發(fā)，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)之間的區(qū)別以及在協(xié)議設(shè)計(jì)上的限制，總結(jié)出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。本文還列舉典型傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議——時(shí)隙接入類MAC協(xié)議，說明目前MAC協(xié)議的能量效率與

4、最優(yōu)化的性能還存在一定差距，主要表現(xiàn)在固定占空比引起的能耗與時(shí)延性能間難以優(yōu)化協(xié)調(diào)，虛擬簇結(jié)構(gòu)中邊界節(jié)點(diǎn)能耗現(xiàn)象影響網(wǎng)絡(luò)壽命，以及無線收發(fā)機(jī)狀態(tài)頻繁轉(zhuǎn)換產(chǎn)生額外數(shù)據(jù)接收能耗這三方面影響能量效率的問題，為MAC協(xié)議高能效性能研究確定方向。
　　其次，針對(duì)固定占空比引起的能耗和時(shí)延性能間難以優(yōu)化協(xié)調(diào)，協(xié)議缺少靈活性的問題，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)隊(duì)列時(shí)延的動(dòng)態(tài)占空比協(xié)議——QDSMAC（Queue Delay SMAC）協(xié)議。結(jié)合節(jié)點(diǎn)緩

5、沖區(qū)隊(duì)列時(shí)延和節(jié)點(diǎn)剩余能量，提出緩沖區(qū)隊(duì)列平均時(shí)延計(jì)算公式，以此來判斷網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化程度。QDSMAC協(xié)議通過緩沖區(qū)隊(duì)列時(shí)延迅速準(zhǔn)確的了解網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化，改變節(jié)點(diǎn)占空比，達(dá)到優(yōu)化協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)能耗和時(shí)延性能關(guān)系的目的。同時(shí)，QDSMAC協(xié)議還采用控制分組優(yōu)先廣播的方法，避免占空比改變后數(shù)據(jù)分組丟失的問題。
　　再次，針對(duì)簇形同步結(jié)構(gòu)中存在的邊界節(jié)點(diǎn)能耗問題，提出一種基于虛擬簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法。處于多個(gè)虛擬簇交界處的邊界節(jié)點(diǎn)為了

6、連接網(wǎng)絡(luò)必須在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)遵循多個(gè)偵聽時(shí)間，消耗高于普通節(jié)點(diǎn)幾倍的能量，導(dǎo)致邊界節(jié)點(diǎn)過早的死亡帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖兩踔辆W(wǎng)絡(luò)中斷。該算法通過樹形結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)掌握所在簇的尺寸信息。當(dāng)相鄰簇的大小發(fā)生改變時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過簇尺寸信息進(jìn)行虛擬簇融合，有效的減少邊界節(jié)點(diǎn)的存在，延長網(wǎng)絡(luò)生存壽命。
　　最后，針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中無線收發(fā)機(jī)狀態(tài)頻繁轉(zhuǎn)換產(chǎn)生數(shù)據(jù)接收額外能耗的問題，提出基于數(shù)據(jù)片段標(biāo)識(shí)的高能效數(shù)據(jù)傳輸FIMP（Frag