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。     

基于CC1101的无线传感器网络设计

设计基于CC1101与GPRS的星型无线传感器网络系统,应用基于时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)机制的洪泛时间同步协议FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)实现汇聚节点与传感器节点的同步。在该系统中,汇聚节点与传感器节点在TDMA帧的第一时隙采用FTSP进行时间同步,进而保障TDMA机制的实现。同时,汇聚节点通过GPRS网络接入Internet,将传感器节点的监测数据转发至监控中心。实际环境中的测试结果表明,设计的无线传感器网络能实现节点的可靠同步与数据传输。     

可见光通信的传感器节点在线调试交互研究

无线传感器网络节点可能会被部署到开发维护人员难以接触的环境中.一旦节点出现故障,需要通过无线网络实施对故障节点的调试修复.然而,一些无线通信故障会导致节点从网络中失联,这时依赖于无线网络的传统调试修复交互手段可能失效.此外,由于传感器网络节点的硬件结构简单,一般也很难提供额外的调试手段.为此,通过挖掘现有传感器节点与光学相机上多种可见光相关模块的潜能,在不修改硬件的前提下,设计并实现了基于可见光通信的混合双工调试交互系统.针对调试交互系统下行链路中,环境光照度传感器感光延时导致数据传输率过低的问题,提出一种基于压缩表达的双头脉冲间隔调制CDH-PIM.针对调试系统上行链路中,感知节点通过光源发送数据无法与光学相机形成图像帧同步的问题,提出一种面向卷帘快门的反馈式帧同步机制.实验结果表明CDH-PIM相较于DH-PIM吞吐量提升11.09%,能耗降低8.70%.上行链路帧同步方案可在30fps条件下达到600b/s的数据传输率.     

一种适应于静态Ad Hoc 网络的高吞吐量MAC 协议

针对稠密部署ad hoc 网络中暴露节点问题引起的网络空间利用率低、吞吐量下降的问题,提出一种包侦听多路接入/冲突避免(packet sensing media access with collision avoidance,简称PSMA/CA)MAC 协议.在PSMA/CA协议中,节点通过信道侦听和邻近节点集交换获取两跳范围内邻近节点信息,暴露节点在发送数据之前,首先侦听网络中当前会话,得到会话双方地址,根据两跳范围内邻近节点信息计算当前会话与欲建立会话之间的关联度,当会话关联度小于信噪比要求时,允许暴露节点建立会话.PSMA/CA 协议允许满足条件的暴露节点建立并行会话,以提高网络空间利用率.仿真结果表明,与802.11DCF 相比较,PSMA/CA 协议下平均网络吞吐量增加20%.与其他针对暴露节点问题提出的算法相比较, PSMA/CA 不需要节点间同步,对现有无线网络硬件设备也没有提出新的要求,具有更强的适应性.     

Ad hoc网络中TDMA分布式动态时隙分配算法

基于时分多址(TDMA)的时隙分配算法能够提供很好的无线资源利用率,特别是在高负载的环境下.提出了一种适于Ad hoc基于TDMA的无冲突动态分布式时隙分配算法,通过动态改变帧长来控制未用时隙的过量增长,提高了系统吞吐量.该算法通过设置帧长为时隙2的次方,使其在不同帧长的节点中无冲突地包传输.节点间的同步采用本地同步方式.仿真结果表明该算法与IEEE 802.11相比提高了系统吞吐量并降低了端-端延迟.     

一种容迟移动传感器网络的MAC协议

根据容迟移动传感器网络中节点的能量消耗和传输延迟特性,提出一种减少能量消耗的媒体接入控制协议(ESMAC协议)。通过实验证明,依靠在MAC协议的帧结构中加入模式判别标识,减少了节点由于串音和竞争引起的能量消耗;通过节点发送的寻访报文,减少了由于空闲侦听引起的节点能量消耗,延长了网络的生命周期。     

面向最小延迟的无线mesh网络时隙分配问题研究

在基于IEEE802.15.4的工业无线传感器网络中,通过时分复用技术来实现节点间并行通信,以提高网络的吞吐量.通常,网络中的管理器根据全网拓扑对网络中的每个连接分配一个超帧中相应的时隙.不同的时隙分配方案中,连接在超帧中活动的顺序也不同,对网络性能的影响也不同.本文研究了不同时隙分配方案在网络吞吐量和数据延迟方面对网络的影响,定性分析了时隙分配方案与数据延迟的关系,并根据mesh结构的特点提出一种使用粒子群优化的算法,用于在网络管理器上对时隙分配进行优化,使得数据延迟最小化,以满足工业无线网络实时性应用的要求.     

一种适用于可扩展AdHoc网络的动态时隙分配算法

针对现有基于固定分配时隙的ad hoc网络MAC协议时隙利用率低,不能适应突发网络业务的局限性展开研究,并在此基础上提出了一种适用于规模可扩展的ad hoc网络的动态时隙分配算法(DTDMA).该算法利用较少的控制开销,通过节点间控制帧的交互,实现在网络负载较重的情况下,可以有效保证多个节点无冲突的接入信道,并针对不同优先级的网络业务提供相应优先级的时延保证.QualNet网络仿真环境中的仿真实验证明该算法能创建一个规模可扩展的无线自组织网络,且当网络中存在突发流业务时大大提高了网络吞吐量,减小了平均端到端时延,并实现了区分优先级服务.     

基于主控同步的CAN总线多点实时数据采集技术

RS-485总线与CAN总线是工业现场数据采集最常用的有线组网方式,它们均有各自的局限性。针对一类多节点网络的数据实时采集问题,提出了基于主控同步的CAN总线多点实时数据采集技术,将RS-485总线主控思想应用于CAN总线的数据通信中,通过对各节点发送数据时间的同步,有效地避免了节点间数据冲突问题。实验结果证明了该方案能有效地提高数据传输的实时性和可靠性,解决了CAN总线访问冲突。     

无线纳米传感器网络高吞吐量无冲突接入控制

无线纳米传感器网络是一种有着重要潜在应用的新兴传感器网络。考虑到纳米传感器的极低处理能力,研究人员提出了具有极低复杂度的基于TS-OOK的接入控制方案。针对该方案存在的数据比特发送会连续冲突及吞吐量较低这两个不足,设计了3种改进型TS-OOK方案:周期固定带宽均分接入控制方案、周期倍增带宽均分接入控制方案和支持优先级的接入控制方案。这3种方案都通过接入节点与中继节点之间的简单控制包交互来实现冲突避免。性能分析表明这3种方案具有更高的吞吐量和更低的传输时延。     

WSN中利用蚁群路径优化的时隙选择重排算法

针对无线传感器网络(WSN)汇聚传输中的数据传输时间和功耗问题,提出了考虑时间同步和唤醒延迟的汇聚传输时隙选择重排算法。将时分多址接入(TDMA)用作介质访问协议,并允许每个节点在传输时隙期间可以发送或接收数据;设计新的WSN数据收集树模型,将传感器节点生成的数据通过无线链路形成的多跳网络发送到汇聚节点,在数据收集树的每条链路上分析时隙顺序,优化时隙选择,并基于蚁群算法优化路径选择,减少传输能量消耗和均衡簇头能量。实验结果表明,提出的算法可以实现显著的数据传输性能提高和功耗节约。     

Node scheduling problem in underwater acoustic sensor network using genetic algorithm

Underwater acoustic sensor network (UWASN) has recently aroused the interest of researchers and scientists in this field. The acoustic sensor bandwidth is limited in underwater and it causes low successful packet transmission. One of the methods to overcome this handicap is efficient broadcast scheduling of underwater acoustic sensor node (UASN) that would help in transmitting and receiving data without any collision. This can be done with the help of time division multiple access (TDMA). The basic idea is to address broadcast scheduling problem in UWASN for utilizing the limited available bandwidth by parallelizing the node transmission such that it does not interfere with each other in same time slot; it also minimizes the node turnaround transmission time in the network by optimizing the time slots in TDMA frame. The objective of this paper is to maximize the utilization of the available underwater acoustic bandwidth and to achieve high throughput as well as to reduce the node turnaround wait time by using an evolutionary genetic algorithm (GA). The simulation results prove that every node in the UWASN transmits in an average minimal turnaround time by minimizing the time slots and maximizing the throughput in the network by scheduling the possible nodes with parallel transmission.     

一种基于帧间信息差的改进TPSN算法

在无线传感器网络中,TPSN时间同步算法作为一种基于成对的双向同步算法,取得了良好的时间同步精度,但是同步能耗大。根据TPSN算法中传感器节点收到的数据在时间上和空间上的相关性,通过压缩数据来减少数据流量,提出了一种基于帧间信息差的改进TPSN算法。在改进TPSN算法中传感器节点首次时间同步时存储同步帧,之后的同步帧均采用与前一帧的信息差,压缩了同步帧的数据量,减少了报文开销,从而降低了同步能耗。仿真结果表明,改进TPSN算法有效地降低了时间同步的能耗,同时保持了TPSN算法的精度。     

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。     

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。     

基于动态树拓扑的多时隙分配无线传感器网络数据传输算法

针对无线传感器网络(WSN)在数据传输过程中节点能量负载不均衡问题,提出了一种基于动态树拓扑的多时隙分配无线传感器网络数据传输算法。该算法首先建立了树链路模型来分析无线传感器网络的数据传输模式以及时隙需求问题;接着通过在树拓扑上使用父代和子代的关系,使节点基于时隙需求执行帧时隙分配,并给出了接收时隙的一个序列模式和发送时隙的序列模式,允许节点更加有序且在干扰更少的信道下接收其他节点发送的数据包,减少时隙的浪费并提高信道利用效率。最后,实验仿真结果表明,与基于数据传输优化的无线传感器网络的生命周期延长算法,以及基于能量感知和时隙分配的可靠数据传输算法相比,所提算法的网络能量效率分别提高了42.8%和51.7%,节点平均寿命延长了1.7%和37.5%,网络的能量效率和网络生命周期得到了提高。     

基于生成树的无线传感器网络时钟同步算法

考虑到无线传感器网络时钟同步多跳误差累积问题,提出一种基于动态生成树的全网时钟同步算法,只需由根节点开始沿树边广播一次同步消息,全网待同步节点即可采用时钟偏差补偿,并结合贝叶斯后验估计算法对时钟进行准确估计。一个同步轮次内每个节点至多广播两次消息即可完成全网同步。使用OMNeT++软件进行仿真实验表明算法有效降低了多跳累积误差,提高了同步精度,且具有较快的收敛速度和较低的开销。     

一种异构传感器网络时间同步的安全性研究

分布式时间同步技术是无线传感器网络（WSNs）应用中的一项重要支撑技术,保证时间同步的安全性至关重要。针对敌对异构网络环境,通过利用存储有高能量的高级传感器,提出了一种高效的异构WSNs时间同步安全方案。Tmote传感器节点实验表明：该方案比现有的同步方案更能有效提高同步精度,减少通信开销和抵御网络的多种攻击。     

一种采用时隙对准方式的TDMA自组网同步协议

通过对TDMA方式下的同步协议STS和TISS进行研究,提出一种基于时隙对准方式的TDMA自组网同步协议MFSS。该协议以工作周期为自组网节点之间同步的标准,在节点初入网时采用双向交互和时隙对准方法,消除了传输时延误差和初始时间偏差,从而实现了快速初始同步;随后通过监测过程保证了节点之间产生的时钟漂移误差可自适应控制,同时减小了重新同步带来的开销。仿真结果证明,相比于STS协议和TISS协议,MFSS协议在同步收敛速度、同步精度以及同步开销上都取得了更好的性能。