能量收集无线传感器网络MAC协议研究

摘要

无线传感网（WSNs）近年来得到了长足的发展，但传统的WSNs中存在一个严重问题，即能量受限。传感器节点体积较小，通常只能配备能量有限的微型电池，使得整个网络的生存时间有限。因此，在过去的十多年中，为了尽可能地减少能耗，提出了很多种方法和协议。但与此同时，网络的性能也总是为了延长生存时间而被折中，导致WSNs不能提供更好的服务。此外，用于传感器中的一次性电池还可能污染环境。
　　近年来提出了将能量收集（EH）技术用于传感器网络的解决方案，即能量收集无线传感器网络（EH-WSNs），可以解决上面提到的所有问题：首先，通过能量收集技术，有望解决能量受限问题，由此放宽了对能量消耗最小化的要求；其次，没有必要再因一味延长生存时间而忽视其他服务质量要求，改善了网络性能；最后，EH-WSNs中的可充电电池和超级电容比一次性电池更环保。
　　而介质访问控制（MAC）协议设计对于WSNs至关重要，在很大程度上决定了网络性能。出于下述两点原因，传统WSNs中的MAC协议不再适用于EH-WSNs，一是在EH-WSNs中MAC协议的目标是利用可用能量来提高网络的性能，而不再是最小化能耗，二是在利用射频（RF）进行能量收集的过程中，信息和能量的传输相互竞争又相互依存。在这种背景下，本文展开了对EH-WSNs的MAC协议的研究，内容主要包括三部分：
　　(1)回顾了经典的MAC协议，之后对国内外EH-WSNs的MAC协议设计方案进行综述，包括这些协议涉及的场景、采用的技术以及方案的优缺点；
　　(2)当能量源是自然环境中的能量时，根据现有研究中的不足，提出改进的EH-ALOHA协议。该场景中，能量的到达过程不受人力控制且很难预估，并且协议设计目标不再是最小化能耗，而是尽可能利用收集的能量来提高网络的性能。本文根据网络的这些特性，利用贝叶斯公式对ALOHA协议的争用概率进行了改进，并通过仿真结果说明此方法确实有效提高了网络的吞吐量和公平性，减小了时延。
　　(3)当能量源是RF时，能量和数据共用频率、时间等资源，数据的传输又需要能量，射频能量在空间还会发生干涉。综合考虑这些实际因素，本文在CSMA/CA协议中加入了射频能量初相调整、基于活跃度的充电时长、基于能量等级的数据传输优先级等多种策略，设计了适用于该场景的RF-CSMA/CA协议。

目录

声明

第一章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容

1.4本论文的结构安排

第二章 能量收集无线传感器网络MAC协议研究概述

2.1传统无线传感器网络MAC协议概述

2.2环境能量收集无线传感器网络MAC协议综述

2.3本章小结

第三章 环境能量收集无线传感器网络MAC协议改进

3.1网络模型

3.2环境能量收集WSNs的概率轮询协议

3.3 EH-ALOHA协议争用概率调整策略设计

3.4环境能量收集WSNs的时隙CSMA协议

3.5环境能量收集WSNs的非-坚持CSMA协议

3.6环境能量收集WSNs的轮询协议

3.7仿真与分析

3.8本章小结

第四章 射频能量收集无线传感器网络MAC协议设计

4.1 RF能量收集无线传感器网络MAC协议设计面临的问题

4.2 RF-CSMA/CA协议详细描述

4.3仿真与分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文工作总结

5.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果