无线传感器网络中基于接收方的MAC协议的高效数据传输机制研究

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占空比无线传感器网络中,由于节点大部分时间处于休眠状态,接收数据的机会减少,加剧了发送节点间的竞争,尤其是在密集网络中,竞争更为严重,因此,常常出现并发传输数据的情况。在并发传输场景下,当使用基于接收方的MAC协议时,多个发送方在收到接收方的Beacon后几乎同时向接收方发送数据,很容易发生冲突。此外,由于无线信道的共享特性,基于接收方的MAC在工作时,网络中除数据包会发生碰撞外,数据包和Beacon、ACK也有可能发生碰撞,加大了冲突发生的概率。冲突的发生,会降低信道利用率,因此,需要高效的数据传输机制,来提高基于接收方的MAC协议在并发传输时的性能。本文针对基于接收方的MAC协议在并发传输场景下信道利用率不高的问题,提出了两种数据传输机制,并在TelosB节点上测试了所提机制的性能。本文主要有以下三点贡献:首先基于UPMA架构,在TelosB节点上实现了RbMac,便于后续在节点上测试本文提出的数据传输机制的性能。接着提出了一种基于快速回复ACK的数据传输机制。本文通过分析两个节点并发传输时发生冲突的概率,发现缩短ACK的回复时间可以减少网络中的冲突,于是提出了一种快速回复ACK的方法。实验表明,该方法不仅缩短了ACK的回复时间,还能在ACK中携带额外信息。接着提出了一种基于快速回复ACK的数据传输机制。实验表明,当网络中的竞争节点数不超过4个时,所提机制可靠性高,且能耗低,适用于低占空比网络。最后提出了一种基于捕获效应的数据传输机制。为了满足捕获效应对信干噪比的要求,本文提出了一种均衡贪心方法,由节点自身为其邻节点分配发送功率。实验结果表明,该方法时间复杂度低,当网络中的邻节点数不超过8个时,全解率不低于90%。然后提出了一种基于捕获效应的数据传输机制,满足了捕获效应对分组到达时间差的要求。实验结果表明,当网络中的邻节点数不超过8个时,所提机制有效提高了信道利用率。考虑到并发传输时节点的发送概率,本文对均衡贪心方法进行优化。实验结果表明,当网络中的邻节点数不超过10个时,优化后的均衡贪心方法能在保证一定竞争成功率的前提下,最大化分配结果集容纳的邻节点数。此外,当网络中节点的发送概率较低时,优化后的均衡贪心方法由于能允许更多节点抓住机会发送数据,竞争成功率反而更高。
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