论文摘要
受益于制造技术、通信技术以及网络技术的飞速发展,使得无线传感器网络在自然环境、交通运输、军事战争、医疗健康、空间探索以及商业生活等多种场合有着广阔的应用前景。本文以此为切入点,详细介绍了无线传感器网络的结点结构及通信方式,以及通信能力有限、电源能量有限、计算能力有限、传感器数量大、分布范围广、网络动态性强、大规模分布式触发器、感知数据流巨大等特性,并据此提出了无线传感器网络的性能评价指标。随后本文阐述了无线传感器网络的协议栈,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等各部分详细功能与结构的描述。其中重点介绍了位于数据链路层中的无线传感器网络媒体访问控制层的概念,以及该层协议的网络特性与设计要求。本文的工作之一是按照不同方式,将无线传感器网络媒体访问控制协议进行分类。按照结点通信的方式,可以分为基于预约与基于竞争的;按照通信所使用的物理无线信道数量,可以分为单信道与多信道的;按照通信参与的单位,可以分为以结点为单位与以簇为单位;按照协议所涉及的协议栈,可以分为单层协议与跨层协议。此外还以具体协议为例,详细介绍了WiseMAC、Lightweight MAC（LMAC）、Distributed Energy-aware MAC（DE-MAC）、Traffic-Adaptive MediumAccess（TRAMA）等基于预约的协议;Sensor-MAC（S-MAC）、Timeout-MAC（T-MAC）、Dynamic Sensor MAC（DSMAC）、Data-gathering MAC（DMAC）等基于竞争的协议;Geographic Random Forwarding（GeRaF）为代表的跨层协议;一种基于簇头选择模型的无线传感器网络分簇算法和一种基于相关度的无线传感器网络分簇算法等以簇为单位的协议以及多信道协议中的代表Wakeup channel协议。接着本文选择OMNeT++为仿真工具,对传统网络协议的代表CSMA、预分配协议的代表LMAC、基于竞争的协议的代表T-MAC等进行了仿真。并对仿真结果从结点工作状态、能源消耗、数据包延时、网络冲突率等方面进行了比较与总结。随后又将网络结点规模、拓扑结构和应用场景等条件进行修改,反复进行仿真,提取各种相关数据,并对各种不同于原来试验结果的情况进行了讨论。同时对常用的无线传感器网络仿真工具进行了介绍,包括Network Simulator 2（NS-2）、J-Sim、TinyOS Simulator（TOSSIM）、Objective Modular Network Testbed inC++（OMNeT++）。本文的又一主要工作是提出了HMAC、HMACP和AMAC协议。其中为异构无线传感器网络设计了专用协议HMAC及其特殊情况下的变形HMACP,并进行了实验仿真,验证其有着更低的功耗和更长的网络存活时间。为带融合结点的无线传感器网络设计了融合算法AMAC,也进行了实验仿真,验证其有着更高的无线收发效率。分析了结点可移动的无线传感器网络,阐述了S-Mac等协议不适应该应用场景的原因,并提出了改进方案。最后,本文进行了总结,提出了面向特殊应用的协议及通用协议栈设计的下一步研究方向,并预言成千上万的企业将开始采用无线传感器网络技术,而数以亿计的人类将受惠于各种相关的应用。