无线传感器网络自适应MAC协议研究

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是嵌入式系统、无线通信技术、网络技术及微机电系统等学科互相融合、渗透而产生的新技术。无线传感器网络通过随机部署的节点以无线通信的方式自组织组网，完成对环境数据的长时间自动监测、采集和传输。得益于这些优点，无线传感器网络技术及其应用引起了广泛关注。介质访问控制（Medium Access Control, MAC）协议协调分配众多节点接入公用的信道，决定了节点的信道获取方式，是决定无线传感器网络系统性能的基础协议之一。同时由于MAC协议直接操作传感器节点的最大能耗部件——射频模块，因而研究高效MAC协议是延长节点寿命的有效途径。本文紧扣节能这一基本原则，围绕无线传感器网络负载不均衡这一基本特性对无线传感器网络MAC协议展开研究。文章建立了MAC协议的理论模型，深入分析影响协议性能的原因，针对现有工作中存在的理论模型不够完善、协议性能随网络负载变化不够鲁棒等问题，提出了相应的解决方法并做了一些有益的尝试。本文的主要工作包括以下几个方面：1）对现有MAC协议进行了分类总结，按照协议提出的顺序和继承关系给出了协议发展的路线图；对典型MAC协议进行了原理分析和优缺点总结；对几种经典协议在不考虑节点数据冲突的设定下进行了建模；基于建立的模型并根据CC2430的参数对各个协议进行了包括空闲侦听、网络延时和节点能耗在内的性能分析与比较。2）依据节点在一个周期内可以进行多次收发、在退避过程中可以侦听信道并接收数据的设定，建立了一个精确的同步竞争协议模型。模型中根据一个描述节点退避状态的Markov链得出了节点在退避、接收和发送状态的概率；根据一个描述节点状态转换的Markov链得出了处于节点空闲状态的概率与进入退避发送状态的概率以及数据包服务时间的关系；然后根据这两个Markov链得出了包括吞吐量、延时和节点能耗的网络性能表达式。基于NS2的仿真结果验证了模型的正确性。3）建立了一个完善的、精确的异步MAC协议模型。该模型完善了现有工作中不考虑节点一个周期发送多个数据和不考虑隐藏节点的缺陷。模型建立了一个表示节点缓冲队列长度的Markov链，然后据此计算了节点缓冲队列在各个长度的概率、节点接入信道的概率和每个周期成功发送数据的概率并得出了节点性能表达式。仿真结果表明本文的模型比现有模型更精确。4）鉴于异步协议简单、容易实现的特点，设计了一种轻量级的、能量最优的贪婪侦听异步MAC协议——AA-MAC。协议根据当前网络负载自适应调节节点侦听时间，并给出了最优贪婪侦听时间和网络负载的关系。仿真结果表明在13个节点的网络中，当网络负载较高时单个数据包能耗比X-MAC减少70%以上；协议能效性随节点数目和网络负载的增加而提高。5）鉴于AA-MAC更适用于高负载、节点密集网络的特点，设计了一种基于短前导序列的自适应侦听间隔异步MAC协议——AX-MAC。协议根据节点在一段时间内接收到数据的状态，设计了一个双阈值的网络负载判决机制并据此自适应调节节点侦听间隔。给出了一个基于Markov链的侦听间隔转换模型，推导了协议阈值与节点侦听间隔的关系。仿真结果表明协议阈值能够按预期调节节点侦听间隔；无论在何种网络状态下，通过选择合适的阈值，协议都可以获得较好的网络性能。6）鉴于异步协议在高负载网络中效率较低的特点，设计了一种多信道、多模式的混合MAC协议——MCH-MAC。协议利用同步低功耗侦听和时分复用两种工作模式解决了协议在对不同网络负载条件的适应性；根据节点的流量设计了一种局部的时隙分配策略，解决了网络流量的漏斗效应；利用一种多信道的策略使得节点可以抢占邻居节点的空闲时隙，更好的适应了动态负载。基于CC2430节点和TinyOS操作系统的实验结果表明在非均衡网络中MCH-MAC吞吐量比Tree-MAC提高20%以上。