多跳无线传感器网络中自适应混合MAC协议的研究

There exist hidden terminals in wireless sensor networks with multi-hops topology, which results in high collision rate and leads to performance degradation of the network. Moreover, the existing MAC mechanism don't consider the problem and is confined to single hop and multi-hops at low load. In view of the current study situation, the adaptive hybrid MAC protocol is designed, analyzed, implemented and evaluated in this proposal. The main content include: 1) the detection mechanism of sustained contention; 2) the distributive and dynamic CDM mechanism; 3) mathematical models and analysis of the hybrid protocol; 4) experiment testing and simulation evaluation of the protocol. The innovation lies in: 1) introducing the CDM mechanism based on collision free in code domain for the MAC layer and the adaptively switch hybrid method with CSMA/CA mechanism; 2) designing the detection mechanism of sustained contention based on "generation domain" to solve the problem of collision detection in wireless networks; 3) designing the adaptive and distributive generation, allocation and optimization algorithms of orthogonal code for the CDM mechanism application in wireless sensor networks. Achievements of the project are able to promote the application of wireless sensor networks under multiple hops topology and provide a new thought and method to improve similar networks performance.

多跳拓扑条件下无线传感器网络中存在隐藏终端，从而导致节点间冲突频发，网络性能恶化。现有MAC协议局限于单跳或轻负载多跳网络研究，没有考虑多跳网络中的持续冲突问题。针对上述问题，本项目拟将CSMA/CA和CDMA机制进行有机结合，设计、分析、实现和评估一种能根据网络流量进行自适应无缝切换的混合MAC协议。研究内容包括：1）持续冲突检测机制的设计；2）动态分布式CDMA机制的设计；3）协议数学建模和分析；4）协议的实验和仿真评估。创新之处在于：1）在MAC层引入码域内冲突自由的CDMA机制，并结合CSMA/CA设计可自适应切换的混合协议；2）设计基于"生成域"的持续冲突检测机制，解决无线网络中的冲突检测问题；3）设计动态分布式正交码产生、分配和优化算法，建立CDMA在无线传感器网络中的应用机制。本项目成果可促进无线传感器网络技术在多跳环境下的广泛应用，为提高类似无线多跳网络性能提供一种新思路和新方法。

低功耗、低成本、自组织的无线传感器网络得到了广泛关注和应用，本项目针对多跳无线传感器网络及其应用中的相关问题进行了深入研究。.针对多跳无线传感器网络中由隐藏终端引起的持续冲突问题，提出完整的结合CSMA/CA和CDMA机制的混合MAC协议。实现混合协议自适应切换的关键是对由隐藏终端引起的持续冲突进行准确识别。本项目基于实验测试方法，提出了基于生成域插入方法的持续冲突检测机制，从而实现了冲突影响和非冲突影响因素错误包的有效识别。为适应不同网络场景，本项目采用基于互信息的机器学习方法确定和优化冲突检测机制中具体参数以保证识别精度。为同时解决分布式CDMA中的多址干扰和动态扩展码长问题，本项目针对多跳无线传感器网络范围有界、节点有限特点，基于BPP模型建立了扩展码长和链路连接成功率之间的数学关系，从而实现了自组织网络中扩展码长对多址干扰MAI抑制作用的定量分析。.本项目针对智能交通系统（ITS）特点，提出了应用于ITS的无线传感器网络功能和性能需求，在此基础上设计了可配置、可扩展的完整无线传感器网络协议框架。同时，通过不同车载通信场景下无线信道性能测试实验和数据分析，证明了IEEE 802.15.4协议在V2R场景下应用的可行性并给出了具体的应用建议。针对车载节点高速移动特点，基于实验方法建立了考虑树木影响的车载链路完整大尺度路径损耗信道模型，解决了移动链路中时变的植被深度建模问题；并在此基础上建立了IEEE 802.15.4协议非时隙CSMA/CA机制在车载环境下的数学分析模型。以上模型的建立，为无线传感器网络在车联网环境下的性能分析和应用提供了理论支持。.综合考虑无线传感器网络中网络连通性和隐藏终端效应影响，提出了网络规模和节点传输半径之间的耦合数学关系式，以保证网络连通性的同时使隐藏终端影响最小。针对多无线传感器网络中同信道或相邻信道干扰问题，提出了基于IEEE 802.15.4的信道干扰模型，在此基础上将信道分配问题建模为存在整数不等式约束条件下的信道优化问题，并提出了基于遗传算法的信道优化分配方法。