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基于低时延和区分服务的中高速传感器网络QoS保证MAC协议研究

彭蓓雷  
【摘要】:中高速传感器网络(Medium and High Rate Wireless Sensor Networks, MHR-WSN)与传统无线传感器网络相比,增加了中高速传感器硬件模块,侧重音频、图像、视频等大信息量媒体的采集与处理,能够实现细粒度、高精准的信息监测,可以突破传统的传感器网络的发展瓶颈,适用于快速移动应用场合。可以解决传统无线传感器网络中节点无法移动、能量消耗过快、数据传输速度较慢等诸多问题。 介质访问控制(Medium Access Control, MAC)协议,决定其无线信道的使用方式,在传感器节点之间分配有限的无线通信资源,用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议底层的数据链路层部分,对传感器网络的性能有非常大的影响,是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。本课题研究的正是在中高速传感器网络这种新兴的无线网络下的MAC协议的服务质量(Quality of Service, QoS)保证问题。实时数据包传送和区分服务是中高速传感器网络区别于传统无线传感器网络的QoS保证MAC协议的主要特点。 本文针对中高速传感器网络应用,研究QoS保证的MAC协议,主要工作有: (1)从服务质量的角度审视现有的路由,提出一种基于QoS意识的多路径路由协议,目的是提供可靠的数据包传送。为了保证可靠性,协议采用两种机制,在同一时间多源节点发送数据包到基站,减少碰撞的发生。首先是为不同源节点选择完全不相交的多路径。但如果没有可用的不相交多路径,则QoSDM规划不同源节点的传输,以避免共用节点瞬间从多个源节点接收大量的数据包。 针对具体中高速应用模型,采用跨层设计和混合型方案。对基于802.11e的EDCA机制进行改进,使其支持多路径多信道接入,在保持QoS区分服务等特性的基础上,降低网络整体丢包率。多信道采用通用控制信道确认方式,在其帧中增加多路径路由质量信息,提供给信道接入,根据网络负载流量的变化实现最大重传次数的自适应调整。仿真结果表明,该算法既保持中高速网络中QoS区分服务,保证不同业务的不同时延,又降低负载流量变化对网络的影响,提高网络吞吐量,保证高负载情况下的网络时延性能。 (2)提出一种基于节点任务活动状态感知(Task Activity Awareness)的MAC算法,通过收集节点自身及相邻节点的不同优先级任务活动状态来估算无线传感器网络的网络负载,并根据网络负载来确定节点进行信道访问的概率,以此降低网络时延,提高能量效率和吞吐量。针对协议中隐终端等干扰对协议的影响,引进MR防干扰方法,采用隐承认机制,有效解决节点之间的干扰。仿真结果表明,提出的改进方法可以大大降低网络时延,并通过消除不必要的碰撞来提高网络的吞吐量。 (3)因为对协议改进的过程中关注的是如何确定节点对信道访问的概率,因此它可以有效地和其它的基于区分服务的MAC协议融合。在改进的基于节点活动任务感知算法的基础上,提出一种数据优先级区分服务的MES-MAC协议。提供端到端延时的QoS支持,保证了中高速传感器网络中几个重要的参数。协议完善了S-MAC侦听时间机制,采用信道预约与优先通道访问相结合的技术来区分不同优先级的数据包服务,针对不同时延要求的数据提供不同的时延服务。给出调度算法,调整优先级队列,获取较低的网络平均延时。 本文详细地设计了协议,并阐述了该协议的运行机制,最后通过仿真实验和查询系统实际分析该协议的各个性能指标。研究所取得的成果为中高速传感器网络应用提供了参考,具有一定的工程应用价值。


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