面向可变负载的传感网MAC协议研究与系统设计

摘要

无线传感器网络作为近年来提出的传感技术，由于其易于安装部署、维护成本低、支持移动通信等诸多优点，在国防军事、环境监测、工业控制等各种领域中得到了广泛应用，为搭建物理世界与信息世界的桥梁起到了关键作用，是21世纪重要新兴技术之一。介质访问控制协议（MAC协议）作为无线传感器网络协议栈的底层基础协议，主要负责带宽资源分配，对网络吞吐率、传输时延、能耗等指标有着重要影响。针对无线传感器网络中网络负载多变的场景，本文对MAC协议开展研究，并进行系统设计，主要贡献有以下3个方面:
　　1.针对无线传感器网络可变负载问题，本文提出了一种负载自适应eQueue-MAC协议，以动态分配通信时槽的方式实现网络负载的自适应调度。各个传感节点会在数据帧中嵌入当前的MAC层数据缓存队列长度作为节点的负载状态信息，协调器节点提取该信息以获取传感节点的负载状态，并将调度信息通知传感节点，使有通信需求的节点能够利用专用的通信时槽来进行非竞争数据传输。实验结果验证了eQueue-MAC协议在不同负载场景下具有良好的性能。
　　2.针对单信道传输易受干扰影响的问题，本文提出了一种基于多信道和跳信道机制的mQueue-MAC协议，利用IEEE802.15.4标准定义的16个信道进行高可靠数据传输。协议提出了一种信道选择机制，使得各个协调器节点能够在不同的信道上维护超帧并相互协调。采用跳信道机制，通过预先制定的信道列表和跳频序列，节点之间能够在各个信道之间跳转并进行数据传输，当数据传输失败时，重传将在其他信道进行。设计了信道黑名单机制，当某一信道多次发生数据传输失败后，在一段时间内禁用该信道通信。实验结果表明，协议能够在信道干扰影响下保持较低的时延和能耗，并对传输可靠性有着良好的保证。
　　3.基于传感器网络硬件实验平台，本文给出了所提出的MAC协议的实现方法，并搭建了完整的传感器网络数据收集软件系统。在服务器端实现了多个软件功能模块，以方便不同类型数据源的数据接入、处理和存储。考虑到一些常见的环境信号在变换域下具有稀疏性，引入压缩感知技术，在传感器节点端实现了轻量级压缩采样中间层，使节点能够以低计算开销对信号进行随机降采样，在数据接收服务器端实现了压缩感知处理引擎，对降采样测量值利用压缩感知重构算法进行原始信号恢复。实验结果表明，该系统能够高效完成数据收集工作，结合压缩感知技术能有效提高稀疏信号的传输效率。

目录

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摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 无线传感器网络概述

1．1．2 主要应用领域

1．1．3 无线传感器网络介质访问控制协议

1．2 研究挑战

1．2．1 资源受限

1．2．2 动态负载

1．2．3 QoS保障

1．3 研究现状

1．3．1 竞争式MAC协议

1．3．2 调度式MAC协议

1．3．3 多信道MAC协议

1．3．4 IEEE 802．15．4／4e标准协议

1．3．5 MAC协议的QoS保障

1．4 数据收集系统研究基础

1．4．1 无线传感器网络硬件实验平台

1．4．2 压缩感知理论简介

1．5 本文创新点与组织结构

第二章 负载自适应MAC协议

2．1 需求分析

2．2 负载自适应MAC协议设计

2．2．1 超帧结构

2．2．2 MAC层帧结构

2．2．3 负载自适应算法

2．3 性能分析

2．4 实验结果

2．5 本章小结

第三章 基于多信道和跳信道机制的高可靠MAC协议

3．1 引言

3．2 多信道／跳信道高可靠MAC协议设计

3．2．1 信道选择机制

3．2．2 跳信道机制

3．2．3 信道黑名单机制

3．3 性能分析

3．4 实验结果

3．4．1 功能测试

3．4．2 与其他协议对比

3．5 本章小结

第四章 负载自适应数据收集网络系统设计

4．1 引言

4．2 系统基本架构

4．3 传感器节点端软件设计

4．3．1 网络协议栈模块

4．3．2 串口接收模块

4．3．3 压缩采样模块

4．4 数据接收端软件设计

4．4．1 在线压缩感知处理引擎

4．4．2 数据接收模块

4．4．3 数据存储模块

4．5 系统实验验证

4．5．1 完整数据传输实验

4．5．2 非完整稀疏信号传输实验

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文内容总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果