無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效MAC協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN）是一種多跳自組織無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而能量有限性是WSN一個(gè)重要特征。媒體介入控制層（Media Access Control, MAC）直接控制節(jié)點(diǎn)如何接入信道，對WSN的上層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)性能具有決定性影響，所以研究能量高效MAC協(xié)議對WSN具有較積極的意義。本文針對競爭類MAC協(xié)議存在的共性問題，分別對基于競爭的同步 MAC協(xié)議和基于競爭的異步MAC協(xié)議進(jìn)行相關(guān)分析

2、及研究。
　　針對基于競爭的同步MAC協(xié)議數(shù)據(jù)碰撞嚴(yán)重的問題，提出兩種低碰撞的MAC協(xié)議：SA-MAC（Self-adaption Advertisement MAC）和SQ-MAC（Self-adaption QoS-aware MAC）。SA-MAC利用廣播消息使相關(guān)節(jié)點(diǎn)在預(yù)約時(shí)隙喚醒進(jìn)行工作，而與該時(shí)隙無關(guān)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠。此外，該協(xié)議根據(jù)數(shù)據(jù)隊(duì)列的實(shí)時(shí)情況設(shè)計(jì)了競爭窗口自適應(yīng)機(jī)制和數(shù)據(jù)突發(fā)機(jī)制。
　　SQ-MAC通過交

3、換控制幀為節(jié)點(diǎn)提供理論上無碰撞的預(yù)約時(shí)隙，緩解了SA-MAC無確認(rèn)廣播消息引起的發(fā)送節(jié)點(diǎn)競爭、接收節(jié)點(diǎn)失效等問題。該協(xié)議在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)低碰撞的基礎(chǔ)上增加了服務(wù)感知功能，即在時(shí)隙預(yù)約過程中為高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供更多的時(shí)隙；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化為不同業(yè)務(wù)類型提供不同的自適應(yīng)競爭窗口；采用虛擬多隊(duì)列機(jī)制，設(shè)計(jì)一種相對公平的數(shù)據(jù)包調(diào)度機(jī)制。
　　同步類MAC協(xié)議具有良好的傳輸性能，但對一些能耗要求高的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，低功耗的異步類 MAC更符合要求。

4、為此本文針對基于競爭的異步MAC協(xié)議信道有效利用率低的問題，提出一種高信道利用率的MAC協(xié)議：H-MAC（High Utilization MAC）。H-MAC在低功耗偵聽技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合隨機(jī)退避機(jī)制允許所有已喚醒的發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道競爭。節(jié)點(diǎn)利用 ID編號(hào)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)喚醒，并對接收節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測。
　　本文從理論上分析了所提出 MAC協(xié)議的時(shí)延和能耗性能指標(biāo)，并利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 NS2進(jìn)一步驗(yàn)證協(xié)議的性能。理論分析和仿真結(jié)果表

5、明：SA-MAC和SQ-MAC降低了網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率。與 S-MAC、ADV-MAC相比，SA-MAC在提高遞送率的同時(shí)，降低了能耗和時(shí)延。與S-MAC、DQ-MAC相比，SQ-MAC提高了網(wǎng)絡(luò)性能，并使高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)比與低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)占用更多的網(wǎng)絡(luò)資源，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)感知功能。H-MAC實(shí)現(xiàn)了 WSN的低功耗傳輸，并顯著提高了信道的有效利用率。與 B-MAC、X-MAC、PB-MAC和 X-MAC/CA相比，該協(xié)議的遞送率、時(shí)延、能耗等性能指