一种高能效无线传感器网络MAC协议研究

为了解决无线传感器网络中MAC层空闲侦听、冲突和控制开销所带来的无效功耗等问题,提出了一种高能效无线传感器网络动态非等分时隙MAC新方法;该方法依据网络拓扑和监测类型分析了覆盖率模型,设计了通过选举最低剩余能量节点为休眠节点的动态选举算法,推导得到了非等分配时隙协议的算法公式,同时,采用簇内单向广播的时钟同步算法保证了网络节点拥有相同的时间基准;在无线传感器测试床上进行仿真对比实验,结果表明该方法较好地实现了动态调节工作节点数量和非等分传输时隙的协议功能,MAC层的能量有效性显著提高;该方法可有效使用网络能量,延长网络生命周期,是一种高能效的无线传感器网络MAC协议。     

无线传感器网络中基于最小跳数路由的节点休眠算法

结合无线传感器网络中的最小跳数路由协议,根据功能的不同将传感器节点分为只进行数据采集的终端节点和既进行数据采集又要转发数据的中间节点两类;提出一种节点休眠算法,对前述两种节点采取不同的休眠/唤醒策略以降低能耗。理论分析和仿真结果表明：所提节点休眠算法节约了节点能量,延长了无线传感器网络的寿命。     

一种基于休眠机制的网络时间同步协议

时间同步技术是网络系统正常运行的基础。为了降低能耗,无线传感器网络(WSN)需要采用周期性休眠机制。针对目前WSN时间同步协议较少考虑网络节点的休眠问题,提出了一种适用于采用休眠机制的WSN时间同步协议。该协议包括递增序列号(ISN)机制和时钟校正机制。ISN同步机制能够在唤醒休眠节点的同时,将各网络节点同步到一致的时间点。随后,各节点利用本地时钟与参考节点时钟间的时钟漂移差值,对本地时钟进行校正。基于硬件平台的测试表明,该协议能够以较低的同步成本达到较高的同步精度;与传统时间同步协议相比,协议的执行不再受节点休眠状态影响,并且节点的唤醒过程与时间同步相结合,减少了同步消息的交换量;此外,协议中的时钟校正机制还可有效延长再同步周期。该协议还为众多基于时间同步的应用,如网络通信协议、时分多址(TDMA)调度及节点定位等,奠定了必要的基础。     

无线传感器网络节能探索与研究

无线传感器节点往往由电池供电,由于电池只能存储有限的能量,使得无线传感器网络注定寿命很短,因此,最大限度延长传感器设备的使用寿命是一个重要的研究方向和课题.在本次无线传感器网络节能探索研究中,分析了能量收集与管理策略,能量收集主要收集环境能源,如太阳能,通过超级电容实现能量的存储.能量管理主要通过能量预算让传感器节点处于能量中性区间.为了降低无线传感器节点能量消耗,采用超低功耗唤醒接收器在低能耗的情况下连续侦听信道,降低与通信相关的功耗.星型异步M AC协议和超低功耗唤醒接收器可以结合使用,以提高传感器网络的能源效率.实验结果表明,与传统方案相比,该方案在能源效率、功耗和吞吐量方面都有较大的提高.     

低功耗射频唤醒无线传感器网络设计

针对无线传感器网络采用睡眠/唤醒机制来实现低功耗时,不可避免地引起网络响应时延的问题.在波束供电技术的基础上提出了无线传感器网络低功耗射频唤醒机制,给出了低功耗射频唤醒无线传感器网络节点的硬件结构和详细设计.节点通过从电磁波中获取能量来及时地唤醒自己,以达到提高实时性的目的.性能分析表明低功耗射频唤醒无线传感器网络节点比采用传统睡眠/唤醒机制的节点具有更高的实时性和更低的功耗.     

低开销的星型结构无线传感器网络同步技术

通过分析TPSN同步协议和星型网络结构的特征,针对无线传感器网络低功耗的特点及其对时钟同步算法精度的要求,提出了一种广播式TPSN同步协议和节点本地时钟自校正相结合的方法.实验结果表明,本方法在保证同步精度的同时可以延长同步周期,大幅减少网络同步分组数量,显著降低了同步开销,节约了能耗.     

基于本地时钟自校正的无线传感器网络同步方法

通过分析TPSN同步协议和造成时钟偏差不确定性的各种因素,结合无线传感器网络低功耗的特点及其对时钟同步算法精度的要求,针对TPSN未对时钟频率漂移进行估计的问题,提出一种节点本地时钟自校正方法,并设计了平均时钟偏差指标对一个同步周期内时钟精度进行评价。对比实验结果表明本方法易于实现,在保证同步精度的同时可以延长同步周期,减少同步开销,节约了能耗。     

适用于周期休眠MAC协议的分簇时间同步算法

无线传感器网络中节点能量有限,常采用周期休眠的方式工作,而周期性休眠机制的实现依赖于节点间的时间同步方法.基于竞争的周期性休眠MAC协议的典型代表是S-MAC,在S-MAC协议的时间同步算法基础上,通过引入簇控制和边界节点控制方法提出一种分簇时间同步算法,该算法适用于周期性休眠的MAC协议.仿真和物理实验表明,分簇时间同步相比S-MAC时间同步方法能够有效控制网络中的簇数和边界节点数,减少时间同步开销和端到端传输时延,从而节省能耗,延长网络生存周期.     

异构无线传感器网络的基础层MAC协议设计

多跳分层异构无线传感器网络(WSN)包含周期性短数据和明显方向性数据流,根据该特点,设计一种异构传感器网络基础层MAC协议(GFN-MAC),以均衡降低基础层的能量消耗和时延.异构无线传感器网络基础层在分簇时使用CSMA协议,完成分簇后节点运行GFN-MAC协议,利用交错的周期倍增同步休眠调度模式,使不同层节点运行不同频率的激活/休眠周期.仿真结果表明,与完全同步和交错同步调度方案相比,GEN-MAC的通信时延和系统能耗较低,吞吐量较高.     

LPR MAC:一种采用并行协商机制的低功耗多信道MAC协议

本文通过分析不同类型的多信道MAC协议的特点,指出了并行协商类多信道MAC协议存在的消失节点问题和通信竞争问题。针对上述问题,基于无线传感器网络节点的能量有效性,本文提出了一种新的多信道MAC协议：LPR MAC。本协议采用全网同步,时间上划分为多个时间片,节点在网络建立时随机选择某个时间片作为自己的固定接收周期,在接收周期按各自的伪随机序列在多个信道之间进行跳跃,并行协商,在其余时间片休眠。仿真结果表明,该协议减少了通信竞争程度,降低了能量消耗。     

双核架构在无线传感器网络节点设计中的应用

研究了采用超低功耗监控微控制器和高性能微处理器相结合的双核架构的无线传感器网络节点的实现.通过选用合适的芯片,从硬件上构建了基于双核架构节点的无线传感器网,基于APTEEN网络路由协议,根据实验环境将层次结构简化为平面结构,并进行了性能测试,将测试结果与现有的基于单核架构节点的的无线传感器网进行比较.结果表明双核架构在低功耗和高性能之间取得了平衡点,相对于单核结构具有以更低的功耗获取更高性能的优势.     

一种无线姿态传感节点的能耗优化研究

降低姿态监测传感节点能耗,延长其服务期限是工程应用中的关键点之一。设计缓冲采样方式,以增大传感节点处在休眠状态的时间比重;针对通信中空闲监听带来的能耗损失问题,采用低频唤醒芯片实现间接监听方式以减低连续监听的能耗。采用“缓冲采样+间接监听”的解决方案,本文设计了一种用于监测姿态信息的超低能耗无线传感节点。理论分析证明连续采样的能耗是缓冲采样的115.62倍。实验表明,参照三种采样方式和两种监听方式的六组对照组合,传感节点在最优组合下的能耗仅是最劣组合下的0.42%,节省99.58%的能量,延长238倍的预计工作寿命。一个配有一节2/3AA型1.65 Ah容量锂原电池的传感节点预测能够提供3.58年的连续监测服务,为畜牧业信息化提供应用实践借鉴。     

基于竞争允许TDMA的无线传感器MAC层协议

无线传感器网络在许多重要领域有着广泛的应用，而传感网的媒体访问控制子层(MAC)协议对传感器网络的运行和性能具有重要影响。该文概述了目前存在的传感网MAC协议的设计思想，在SMAC协议的基础上，将TDMA和CSMA两种思想结合起来并与SMAC协议同步机制相统一，提出了一个新的基于竞争允许TDMA的无线传感器网络MAC协议。模拟结果显示，与SMAC协议相比，该协议在数据包延迟、能量消耗及数据包的接收率等性能上有很大提高。     

Fault-tolerant cluster-wise clock synchronization for wireless sensor networks

Wireless sensor networks have received a lot of attention recently due to their wide applications, such as target tracking, environment monitoring, and scientific exploration in dangerous environments. It is usually necessary to have a cluster of sensor nodes share a common view of a local clock time, so that all these nodes can coordinate in some important applications, such as time slotted MAC protocols, power-saving protocols with sleep/listen modes, etc. However, all the clock synchronization techniques proposed for sensor networks assume benign environments; they cannot survive malicious attacks in hostile environments. Fault-tolerant clock synchronization techniques are potential candidates to address this problem. However, existing approaches are all resource consuming and suffer from message collisions in most of cases. This paper presents a novel fault-tolerant clock synchronization scheme for clusters of nodes in sensor networks, where the nodes in each cluster can communicate through broadcast. The proposed scheme guarantees an upper bound of clock difference between any nonfaulty nodes in a cluster, provided that the malicious nodes are no more than one third of the cluster. Unlike the traditional fault-tolerant clock synchronization approaches, the proposed technique does not introduce collisions between synchronization messages, nor does it require costly digital signatures.     

基于MEMS传感器的运输环境监测仪的研制

为了长时间、连续地全程记录运输过程中的三向加速度和温湿度数据,采用MEMS加速度传感器和温湿度传感器、实时时钟、低功耗32位微处理器、SD卡、模块化的碱性电池组等构建运输环境监测仪,睡眠-唤醒巡检的工作方式和上位机在SD上建立文件系统、监测仪直接访问SD卡数据块的数据存储机制有效降低了功耗,频响特性测试、功耗测试、低温运行和搭载测试试验表明该运输环境监测仪满足使用需求.     

一种无线传感器网络中汇聚节点的本地时钟和传感器节点的RTC时钟同步校准的方法

为了降低传感器节点的功耗,应尽可能地让传感器节点在没有业务需求时进入休眠状态。由于传感器节点进入休眠状态后只有RTC时钟模块在运行,且RTC模块内部晶体振荡器受温度等因素的影响较大,造成RTC时钟精度不高进而可能会导致传感器节点不能准确地在预设的时间被自动唤醒,无法完成与汇聚节点的通信业务。为此,提出一种新的无线传感器网络中汇聚节点的本地时钟和传感器节点的RTC时钟同步校准方法,该方法摒弃了以往直接对传感器节点内部RTC模块的晶体振荡器进行温度参数补偿的做法,并由传感器节点根据汇聚节点的本地时钟来调整自己的RTC时钟,以便传感器节点和汇聚节点的时钟动态地保持一致。     

一种适用于无线传感器网络的功率控制MAC协议

功率控制技术通过减少节点的发射功率来降低能耗,但节点间不对称的发射功率会增加网络的冲突概率并降低吞吐量.根据实际环境中的节点部署情况,引入了基于Pareto分布的系统模型.研究了传感器网络中功率控制技术在节省能量方面的性能,提出了一种基于SMAC(sensor-MAC)可适用于无线传感器网络的功率控制MAC(media access control)协议.此协议使用功率控制调度算法选择最优相邻节点,使网络中节点的拓扑连接得到优化,在保证网络连通性的同时,降低通信的冲突率,扩大网络的吞吐量.信息的传递以最优功率发射,并使通信节点具有反作用冲突节点的能力,从而在降低网络能耗的同时保证了节点间通信的公平性.实验仿真结果显示,与现有的几种重要方案相比,新的功率控制MAC协议使网络具有了更大的有效吞吐量及更长的生存时间.     

多层动态分簇的WSN时间同步算法

无线传感器网络受多跳传输延迟和节点中的晶振准确度的影响,造成时间同步误差较大.为了减小同步误差,传统解决方法提高了同步算法的频率,这使得算法面临两个问题:①通信能耗较高;②精度与能耗之间的不平衡.针对以上问题,结合单向广播机制和双向成对机制,提出一种多层动态分簇的无线传感器网络时间同步算法.采用节点分层策略减少了同步通信开销;采用同步误差补偿机制降低了算法同步误差的影响,使用时钟补偿机制减少了传感器节点运行的累积误差.实验测试表明:在保证精度的前提下,本算法降低了同步次数,减少了同步通信开销,从而延长了网络的生命周期.     

An asynchronous MAC protocol for wireless sensor networks

The MAC protocol for wireless sensor network plays a very important role in the control of energy consumption. It is a very important issue to effectively utilize power under the condition of limited energy. The most energy-wasting part of the MAC protocol for wireless sensor network is at the idling condition. Therefore it is crucial for power saving to be able to turn off the signal transducer of the wireless network when the equipment is idling. Pattern-MAC (PMAC) allows sensors that did not transfer for a long period of time to quickly enter a dormant state, so that the problem of sensor overhearing can be greatly improved, and the whole network structure can fully respond to the actual transfer rate without too much energy consumption, but this type of design requires precise time synchronization mechanism. Achieving time synchronization is a very energy consuming and very expensive mechanism in the sensor network structure, achieving the goal is coupled with excess energy consumption and reduction of the lifespan of the sensor. Additionally, the exchange action with the neighboring pattern after each cycle, not only generates additional energy consumption for data transfer, but is also accompanied by factors such as competition, collision and pattern exchange failure. We propose an asynchronous MAC protocol (AMAC) in this paper and expect to improve the problem of energy wasting and time synchronization due to sleeping schedule exchange under the PMAC basic protocol.