论文摘要
无线传感器网络是当今网络技术的一个研究热点。传感器节点集成了微传感器、微控制器和无线通信模块,具有体积小、功耗低、价格低廉和无线通信的优势。这些节点可以随机部署、自组成网,完成对环境数据的自动化采集、处理和传输。无线传感器网络连接了信息世界和现实世界,提高了人们对物理世界的认识能力。介质访问控制（MAC）协议是无线传感器网络研究领域的基础协议和支撑技术。MAC协议的研究对传感器网络中的覆盖部署、拓扑控制、路由技术、同步与定位以及安全管理等关键技术均具有深远影响。传统无线网络MAC协议经事实验证无法应用于传感器网络,大量针对无线传感器网络新特性和应用需求的MAC协议相继提出。但现有各种MAC协议关注的网络特性、优化的性能指标、采取的技术手段和面向的具体应用各不相同,同网络协议栈各层交互和处理的范围和程度也不尽相同,因而所带来的效果千差万别,都存在不同程度的局限性,还有许多基础性问题和关键技术需要解决。围绕无线传感器网络MAC协议性能优化这个关键问题,本文深入分析影响MAC协议性能的本质原因,针对现有工作中存在的能耗与延迟优化不够理想、通信模型过于简化、能量效率与负载均衡无法兼顾、理论成果难以有效验证等不足之处展开研究,提出了相应的解决方法,做了一些有益的尝试。主要研究工作反映在以下五个方面:1)对当前无线传感器网络中典型MAC协议进行总结和分类,详细分析和比较这些协议的核心机制、性能特点和应用范围,并指出未来的研究策略与重点。2)提出一种基于梯型休眠调度的MAC协议——LP-MAC,及其改进版本ELP-MAC。LP-MAC安排传输路径上的节点连续转发数据从而消除睡眠延时;采用冲突避免机制和基于链路计数器的临时唤醒机制减少兄弟节点间冲突并增加节点休眠时间,提高协议能量效率。理论分析和模拟实验表明,LP-MAC协议既具有低能耗的协议特性,也能保证较低的稳定的端到端延时。ELP-MAC在LP-MAC基础上改进了梯型沐眠调度和临时唤醒机制进一步减少通信能耗,基于3SAT问题的NP完全性证明指出ELP-MAC最小冲突规模接收调度问题是NP完全问题,给出一种集中式近似算法。仿真实验表明,ELP-MAC协议能够有效减少聚播通信中的报文冲突,增加节点睡眠时间,能耗和端到端延迟等性能优于LP-MAC,更适合大规模网络部署。3)提出一种求解一般网络环境下最小空间重用TDMA链路调度问题的集中式算法——MSRLS-C及其分布式实现——MSRLS-D。研究一般网络拓扑条件下无线传感器网络链路调度模型,即在确定网络中各链路带宽需求的基础上,给定一个源和目的节点对的集合{（si,ti）},怎样安排最小规模的链路调度,使带宽资源得以充分利用,而问题的约束条件是节点之间可能存在信道干扰。研究了无线传感器网络的信道干扰模型,在此基础上给出了最小空间重用TDMA链路调度（Minimal Spatial Reuse TDMA Link Scheduling,MSRLS）问题的形式化描述,基于顶点着色问题的NP完全性证明指出求MSRLS问题最优解也是NP-Complete的;设计了求解MSRLS问题的集中式近似算法MSRLS-C;分析了该算法的近似程度;给出集中式算法的分布式实现MSRLS-D,并分析算法可能产生的标记冲突数目的一个上界及算法的执行时间。通过仿真实验分析并验证了MSRLS-C和MSRLS-D算法的性能,模拟结果表明上述算法可获得比现有工作数量更少的时槽分配,且空间重用度更高。4)提出一种基于转发选举的跨层MAC协议——FE-MAC。该协议属于竞争类MAC协议,兼有网络层路由功能,旨在从提高能量效率和改善负载均衡两方面延长网络生存时间。FE-MAC采用自适应侦听机制增加节点睡眠时间,提高能量效率,同时组织节点根据当前剩余能量竞争分组转发权,使剩余能量高的节点承载更多的转发任务,实现负载均衡和路由功能。分析了转发选举的工作原理并论证了其正确性。给出优先级分配算法并讨论了协议时间参数的取值。模拟结果表明,FE-MAC负载均衡效果明显,能有效延长网络生存时间,代价是在流量较大的情况下增加了传输延迟。通过模拟实验证明单一追求能量效率和负载均衡都不能获得最长的网络生存时间,指出对于大规模网络部署,负载均衡应得到侧重。5)基于MOS实现B-MAC及其改进协议SP-MAC,利用现有传感器网络实验平台构建真实网络场景进行协议测试和比较。实验结果表明,在不同流量的三种网络环境下,采用短前导帧接收响应机制的SP-MAC协议在延迟和能耗等性能指标上优于B-MAC协议,理论分析得到验证。
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