面向可變負(fù)載的傳感網(wǎng)MAC協(xié)議研究與系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為近年來提出的傳感技術(shù)，由于其易于安裝部署、維護成本低、支持移動通信等諸多優(yōu)點，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等各種領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，為搭建物理世界與信息世界的橋梁起到了關(guān)鍵作用，是21世紀(jì)重要新興技術(shù)之一。介質(zhì)訪問控制協(xié)議（MAC協(xié)議）作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層基礎(chǔ)協(xié)議，主要負(fù)責(zé)帶寬資源分配，對網(wǎng)絡(luò)吞吐率、傳輸時延、能耗等指標(biāo)有著重要影響。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載多變的場景，本文對MAC協(xié)議開展研究，并進行

2、系統(tǒng)設(shè)計，主要貢獻有以下3個方面:
　　1.針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可變負(fù)載問題，本文提出了一種負(fù)載自適應(yīng)eQueue-MAC協(xié)議，以動態(tài)分配通信時槽的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的自適應(yīng)調(diào)度。各個傳感節(jié)點會在數(shù)據(jù)幀中嵌入當(dāng)前的MAC層數(shù)據(jù)緩存隊列長度作為節(jié)點的負(fù)載狀態(tài)信息，協(xié)調(diào)器節(jié)點提取該信息以獲取傳感節(jié)點的負(fù)載狀態(tài)，并將調(diào)度信息通知傳感節(jié)點，使有通信需求的節(jié)點能夠利用專用的通信時槽來進行非競爭數(shù)據(jù)傳輸。實驗結(jié)果驗證了eQueue-MAC協(xié)議在不

3、同負(fù)載場景下具有良好的性能。
　　2.針對單信道傳輸易受干擾影響的問題，本文提出了一種基于多信道和跳信道機制的mQueue-MAC協(xié)議，利用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的16個信道進行高可靠數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議提出了一種信道選擇機制，使得各個協(xié)調(diào)器節(jié)點能夠在不同的信道上維護超幀并相互協(xié)調(diào)。采用跳信道機制，通過預(yù)先制定的信道列表和跳頻序列，節(jié)點之間能夠在各個信道之間跳轉(zhuǎn)并進行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸失敗時，重傳將在其他信道進行。設(shè)計了信道

4、黑名單機制，當(dāng)某一信道多次發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸失敗后，在一段時間內(nèi)禁用該信道通信。實驗結(jié)果表明，協(xié)議能夠在信道干擾影響下保持較低的時延和能耗，并對傳輸可靠性有著良好的保證。
　　3.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件實驗平臺，本文給出了所提出的MAC協(xié)議的實現(xiàn)方法，并搭建了完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集軟件系統(tǒng)。在服務(wù)器端實現(xiàn)了多個軟件功能模塊，以方便不同類型數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)接入、處理和存儲。考慮到一些常見的環(huán)境信號在變換域下具有稀疏性，引入壓縮感知技術(shù)，在傳感器