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无线传感器网络是伴随着微电子技术、传感器技术、无线通信技术以及嵌入式计算机技术的快速发展而产生的,它是由许多低成本、具有感知、通信和计算能力的微型传感器网络节点组成。节点之间可以通过无线自组织通信方式构成网络系统,节点搭载的各种传感器能够实时感知节点分布区域内的环境或是各种监测对象信息,实现智能处理并把信息回传给用户。作为无线传感器网络协议栈重要基础架构的介质访问控制(Medium Access Control,简称MAC)协议负责为网络节点分配无线信道资源,决定着网络中无线信道的使用方式,直接影响到节点能量的使用及网络的整体性能。由于无线传感器网络的自身特点及其限制,传统无线网络中基于竞争的MAC协议,载波监听多路访问协议发生冲突的概率很高会造成大量重传及无效的数据帧,引起节点能量的浪费,而基于固定分配机制的协议虽然达到了一定高效、公平的信道接入,但是FDMA和CDMA相关设备成本很高,实现复杂,TDMA对网络中节点的时钟同步要求很高。针对上述问题,本文基于对现有MAC协议分析的基础上,提出了一种基于Quorum System的MAC层协议改进机制ADC(Adaptive Adjustment of Duty Cycle,简称ADC),ADC机制通过增加相应的算法改进时间调度可以保证网络在时钟同步和异步的环境下都有较好的性能,并给出了理论分析和实验结果。本文研究内容如下:
(1)深入分析了无限传感器网络的特点,把现有的MAC协议做了一个分类,主要有基于竞争的、基于调度的和混合的MAC协议,并在计算能力、存储能力、延时和应用范围等方面对协议做了比较。
(2)在对MAC协议深入分析的基础上,提出了一种可以提高无线传感器网络MAC协议性能的ADC时间调度机制,该机制基于Quorum System设计,可以提高无线信道的利用率以及增加每个节点接入无线信道的公平性,并且可以保证任何一对邻居节点即使在网络时钟异步的情况下至少有一个相同的活动时隙。
(3)通过理论推导分析了ADC机制的特性,并通过实际实验测量了ADC机制的性能,与B-MAC协议进行了比较。