基于图算法的无线传感器网络MAC调度技术研究

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无线传感器网络能够实现数据的量化采集、融合处理以及无线传输,故无线传感器网络在工业、农业、军事等领域得到了广泛的应用,人们对无线传感器网络的研究也更加深入。无线传感器网络与多媒体等技术的结合,对其带宽提出了更为苛刻的要求,因此无线传感器网络带宽问题成为目前研究的热点。介质访问控制(Media Access Control,简称MAC)层直接建立在硬件之上,且是其他协议层的基础,所以MAC层在很大程度上制约甚至决定着整个网络的性能,因此,从MAC层着手来研究提高带宽利用率的方法具有明显的意义。按照对信道访问方式的不同,首先讨论了无线传感器网络MAC协议的特点及分类,然后对无线传感器网络MAC协议做出总结与分析,并指出了现有各种协议的优势与不足。其次,在总结MAC协议的基础上,设计出了一种基于图算法的分布式STDMA-G(Space Time Division Multiple Access-Graph)调度技术。该技术建立在无线干扰模型的主干扰模型上,将网络拓扑图转化为图模型。利用分布式图算法相关知识,节点通过与其邻居节点交换状态信息,当出现平衡时利用节点的度最大原则及r值最大原则,求出图的极大独立集。然后极大独立集中的节点再分布式地对其邻居节点进行染色。最后,根据染色结果,为每个节点分配相应的时槽,从而避免无线传感器网络数据传输过程中存在的冲撞及阻塞问题,有效提高了网络的带宽利用率。整个调度过程分布式实现,理论分析其时间复杂度达到了理论下界O (log*n)。此外,调度过程中所传递信息的开销小,有效地降低了能耗。此外,本文还利用软件及硬件平台对该技术进行了仿真实现。利用VC对算法进行仿真,结果显示,调度算法的收敛速度明显优于现存最优的分布式算法;通过OPNET网络仿真软件,对不同规模的网络实行建模仿真,从仿真结果可以看出,网络规模越大,调度技术性能越好;从Gains节点的简单硬件实现过程可以看出,该技术能够有效提高网络可靠性。
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