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无线传感器网络(Wirelass Sensor Network)是目前的应用热点,它在军事,民用,商业方面都有着巨大的应用意义。但是它的能量问题一直制约其大规模使用。由于无线传感器网络中,每个节点的能量只限于电池供电,而且电池一般都不可能再充电,因此为了降低能量的消耗,学者们提出了很多方法。有些是从硬件方面节能,例如改进射频模块,使之集成化,能耗更少,选用体积小、成本低、速度快、支持休眠且能耗低的处理芯片;有些是从软件入手,开发简单适用的操作系统,开发网络通信的节能协议栈,开发节点覆盖协议。本文就是从软件方面着手,提出更有效更适合WSN的协议。
一般的协议设计会从网络的各个层次去设计节能协议,例如,媒体接入(MAC)层节能协议,网络层节能协议,应用层节能协议。目前大多数学者的节能协议设计都是单层的,虽然它们各自都有一定的节能效果,但是各个层次的协议结合起来形成可工作的协议栈之后就不一定能够达到最好的节能效果。因此本文所设计的协议不是单层的,而是跨层的。
本文所提出的RMAC协议是跨网络层和MAC层的跨层协议。RMAC协议的网络层协议是基于基站洪泛路由协议(BSF)是专门为WSN所设计的,它利用了传感器网络的特殊性,即数据的最终目的节点只有基站一个,因此BSF可以做得既简单有效又很节能。至于MAC层协议,PMAC协议使用了经典的SMAC协议。由BSF和SMAC协议结合起来的跨层协议PMAC协议克服了大多数协议要以牺牲时延为代价来节省能量的问题,不仅能降低时延,又能节省能量。本文不仅理论证明了该协议的节能省时的效果,而且使用NS2仿真器编程仿真,仿真结果也证明了该协议几乎能省近一倍的时延,而且不论链路负荷如何所耗能量都较少,而且也很稳定。
另外,由于通常WSN中节点数目巨大,为了让WSN能够在正常监测目标区域的同时,又能够工作尽可能长的时间,覆盖协议也是必不可少的。通常覆盖协议是做在应用层的。本文提出的PSMAC协议是将覆盖协议和MAC协议结合起来所形成的。根据理论推导,可证明该跨层协议比原来的两层协议简单,而且节能效果非常好。如果某应用所投放的节点数目是刚好能覆盖整个观察区域所需最少节点数的4倍,那么PSMAC协议能耗大约是原来MAC协议的三分之一。