论文部分内容阅读
随着科技的高速发展，以及无线传感器网络在众多领域的广泛应用，无线传感器网络逐渐成为研究热点。因为传感器节点能量受限，而MAC协议直接关乎节点的能量使用效率，所以研究如何在MAC层进行协议优化，从而使得节点能够在有限能量下发挥最大效用具有重要意义。本文将着重研究传感器网络中MAC层相关机制，包括多控制信道机制、邻居发现机制以及数据驱动机制。本文首先针对传感器网络中隐蔽终端问题以及控制信道瓶颈问题，提出了一种基于多控制信道预约和冲突通知机制的多Radio MAC协议—AMCB。AMCB使用基于动态占空比调节机制的控制Radio使用方案和敏感的冲突通知机制，在保证能量有效的前提下，通过多控制信道预约机制高效地解决了以上两个问题。为验证AMCB中多控制信道预约和动态占空比睡眠以及冲突通知机制的性能，进行了模拟实验。实验结果表明：AMCB能够适应数据负载的变化，与使用单个控制信道的MAC协议和AMCB的简化版本相比，AMCB提升了能量利用率和网络吞吐量。随后，为了提升邻居发现效率，从而降低密集部署传感器网络中数据驱动MAC协议进行信道预约的时间，提出了一种基于已发现邻居信息进行预测的多信道邻居发现协议-MND。MND通过理论分析得出某节点邻居们的共同邻居以很大概率为该节点的邻居，从而根据已发现邻居信息计算潜邻集合，并通过占空比和潜邻集合分别计算固定唤醒间隔和随机唤醒时槽，以保证节点之间能够尽早互相发现。MND同时使用随机多信道选择机制降低信道冲突，提高邻居发现的效率。模拟和真实实验结果表明：在能耗相同的情况下，MND具有较高的发现效率和较低的发现延迟。最后，本文提出了一种基于跳频和控制信道预约联合机制的多Radio数据驱动MAC协议—UMD2-MAC。UMD2-MAC的跳频机制确保两个节点多数情况下能够很快跳到相同的信道上，控制信道预约机制保证在跳频机制无法跳到相同信道时通信延迟也不会很高。同时，UMD2-MAC协议能够依据网络状况自适应调整欲使用的信道选择机制，并且无需使用ACK确认机制便能实现重传冲突数据包。理论分析表明，相比于随机跳频机制，UMD2-MAC具有更优的延迟性能。为验证UMD2-MAC中联合机制的性能，进行了实验。实验结果表明：UMD2-MAC能够适应数据负载的变化，与只使用控制信道预约和只使用随机信道选择的MAC协议相比，UMD2-MAC提升了网络吞吐量和能量使用效率，缩短了信道选择所需的时间。