无线传感网络动态休眠通信协议研究

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1、无线传感网络动态休眠通信协议研究重庆大学博士学位论文学生姓名：石军锋指导教师：钟先信教授专业：仪器科学与技术学科门类：工学重庆大学光电工程学院二OO八年二月ResearchonCommunicationProtocolsofDynamicSleepforWirelessSensorNetworksAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofDoctorofEngineeringbyShiJunfengSupervisor:Prof.ZhongXia

2、nxinMajor:InstrumentScienceandTechnologyCollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China.February,2008中文摘要摘要无线传感网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是近年来随着嵌入式系统、无线通信、网络及微机电系统等技术的快速发展而出现的一种全新的信息获取技术。大量具有感知、计算和无线通信能力的传感节点形成自组织网络，协作地实时感知、采集和处理监测对象的信息，具有广阔的应用前景，引起了世界许多国家军事部门、工业界

3、和学术界的极大关注。与传统无线网络相比，传感节点的能量非常有限，而且常常由于特殊的工作环境而无法得到补充，网络寿命直接受到节点能量的影响。如何使用有限的能量来最大限度地延长网络的生存时间，是无线传感网络需要解决的关键课题。在重庆市自然科学基金（No.2005BB2198）的资助下，论文研究了无线传感网络的节能机制，提出了一种低能耗、低时延、低占空比的动态休眠节能MAC协议——LD3-MAC（LowDissipation,LowDelay,LowDutycycleMAC），实现了节点的动态休眠协调；为其设计了相应的介质访问机制；并基于LD3-MAC提出了简单高效的跨层路由机制。

4、主要工作如下：首先分析了传感节点各组成在不同工作状态的能耗情况，结果表明休眠是降低节点能耗的重要措施；阐述了现有节能机制的思想，分析比较了各种节能机制的特点；深入研究了休眠节能的原理、典型休眠节能协议的算法及思路。研究表明，休眠协议可以大大延长传感网络的寿命。但休眠导致多跳时延加大，重负载下吞吐量降低，因此必须解决节点的休眠协调问题。提出了LD3-MAC同步机制，实现了节点的休眠协调。休眠不仅大大降低了空闲监听能耗和不必要的“偷听”能耗，而且在一定程度上避免了冲突和干扰。然而节点关闭射频导致它不能感知周围的通信，因此必须对相邻节点的休眠进行同步。在分析现有同步机制原理、特点及

5、低占空比MAC协议同步机制的基础上，结合无线传感网络静态数据采集的特点，提出了一种适用于休眠MAC的同步机制LD3-MAC同步机制。采用单向同步和全局计划，降低了计算复杂度和网络流量开销，提高了系统的节能效果；采用逐层扩散和相对同步，保证了同步精度，提高了同步的可扩展性，加速了同步过程的收敛；采用交错休眠和周期同步，降低了转发时延，使同步机制具有良好的拓扑自适应性。仿真及性能分析表明，LD3-MAC同步机制实现了全网休眠的协调，减少了不必要的空闲监听，减少了转发时延，降低了冲突概率，提高了数据发送的成功率。深入分析了无线传感网络MAC需要解决的关键技术问题，结合休眠MAC协议

6、的特点，确定了LD3-MAC的介质访问机制。分析比较了RTS/CTS和虚拟载波侦听解决隐藏终端问题的效果，确定了LD3-MAC的握手机制。在分析数据链路I重庆大学博士学位论文重发机制的基础上，选择了LD3-MAC的重发机制，并确定了最佳帧长。深入研究了二进制指数退避算法BEB(BinaryExponentialBackoff)及其改进算法的优缺点，确定了LD3-MAC的回退机制。利用马尔科夫模型分析了最大吞吐量与竞争窗口的关系，确定了LD3-MAC的竞争窗口。针对重负载下LD3-MAC同步机制性能较差的问题，提出了动态休眠机制。传感网络的不同应用数据流速率差异很大，而且传输具

7、有突发性。采用固定的休眠计划，当数据负载突然增大时，大量数据包将在靠近基站的节点处由于休眠延迟而发生拥塞。如果不能有效处理拥塞，节点随后发送的数据将使拥塞更为严重并最终导致缓存溢出，大量数据被丢失，包丢失引起的重传反过来使网络时延急剧增大，吞吐量降低。针对这一问题，提出了动态监听和动态占空比机制。动态监听通过有限竞争和快速发送，降低了数据突发时的转发时延和冲突；动态占空比机制根据流量调整节点的常规监听周期，提高了信道的空间利用率。实现了仿真模型并对其进行了性能评估，结果表明，具有动态休眠机制的LD3-M