无线传感器网络多信道MAC协议设计和实现

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无线传感器网络是由大量传感器节点组成的以数据为中心的自组织分布式网络,其技术逐渐深入人心,应用范围不断扩展,广泛用于室内环境监测、智能交通、军事监控、工业自动化、医疗监控、精准农业等各种应用场景。随着系统规模的逐渐扩大以及国家对物联网产业的不断推进,作为其核心技术的无线传感器网络的应用呈现出多样化和规模化的趋势。应运而生的网络共存现象,使多种无线网络共享有限的频谱信道资源,由此产生的链路干扰问题将在不同程度上影响无线传感器网络的性能发挥——丢包率、传输延迟等。目前,国内外针对网络共存以及信道干扰的研究屡见不鲜,分别从不同角度验证了避免链路干扰是我们不容忽视的关键问题。无线传感器网络MAC协议决定无线信道的使用方式,对无线传感器网络性能起着关键性作用。随着无线传感器网络应用的多样化和规模化,传统的单信道以及以信道竞争方式为主的MAC协议已经很难满足物联网的高吞吐量、高可靠性和低功耗、低延迟的应用需求。多信道和基于非竞争方式MAC协议的引入,是解决这些问题的有效途径之一。多信道MAC协议充分利用无线频谱资源的多信道特性,使不同传感器节点使用不同信道同时通信,而不需要退避等待其他传感器节点结束通信。多信道MAC协议能够有效提高整个网络的传输速率,减少碰撞和受干扰的机会,降低网络传输延迟,进而提高网络性能。本论文在IEEE802.15.4单信道MAC协议基础上,针对时间调度和信道竞争,设计了一种适合于无线传感器网络的多信道MAC协议——结合时间同步机制、信道分配机制、信道切换机制和抗干扰机制等,有效提高了网络对无线干扰的适应性。论文首先综述了无线传感器网络MAC协议的研究背景及发展现状,提出了本论文的选题意义、主要工作及论文结构;其次分析了传统单信道MAC协议存在的问题,并通过比较,阐述了多信道MAC协议的优点,并引出了本论文协议的设计目标;然后在此基础上设计实现了一种基于IEEE802.15.4的多信道MAC协议High Anti-Interference MAC (HAMAC)协议,用于解决单信道MAC协议中存在的丢包率高、抗干扰性差等一系列问题。最后搭建测试环境,测试比较了IEEE802.15.4单信道MAC协议和HAMAC协议在不同应用场景下丢包率、传输延迟等方面的性能。
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