Research on Reliable Transmission in Wireless Sensor Networks

无线传感器网络集成了MEMS、嵌入式计算、网络及无线通信、分布式信息处理等领域的最新研究成果，是二十一世纪最具影响的IT技术之一，在军事、环境、医疗、家庭和其它的商用领域展现出了广阔的应用前景。在无线传感器网络中实现可靠的报文传输，是保证网络完成监测任务的一个基本前提。然而，资源严重受限的节点，误码率较高并且时变的无线链路，动态的网络拓扑，以及网络中的冲突和拥塞等问题都对报文传输的可靠性构成了极大的挑战。论文针对无线传感器网络中的可靠报文传输问题展开研究工作，主要研究内容与贡献包括以下几个方面。论述了在无线传感器网络中实现可靠报文传输所面临的挑战性问题，系统地总结了前人的研究成果与不足。 IEEE802.15.4标准中的时隙CSMA/CA算法适用于无线传感器网络星型拓扑和分簇拓扑下节点的介质访问控制，在无线传感器网络介质访问控制算法中具有特殊的重要性和代表性。对时隙CSMA/CA算法的传输可靠性进行建模分析，以便为算法的优化配置和改进提供理论指导，具有现实而重要的意义。本文采用离散时间Markov链对时隙CSMA/CA算法在非饱和负载、非理想信道下的行为进行了建模求解，并在此基础上对算法的传输可靠性进行了分析研究，指出了相关协议参数对传输可靠性的影响。对于采用CSMA类介质访问控制机制的无线多跳网络，隐藏终端问题是网络中产生报文冲突的主要原因，本文提出了一种分层网络拓扑下基于通道分配策略的隐藏终端问题解决方法，可以有效抑制隐藏终端问题导致的报文冲突。与已有方法相比，该方法无需增加额外的射频硬件，也不要求节点在发送数据报文前进行额外的控制报文交互，因而能够更好地满足无线传感器网络的低成本、低能耗需求。对于射频环境中存在着较为严重的干扰和多径现象的应用，如何在兼顾能量和带宽效率的前提下，提高相邻节点间报文传输的可靠性，对MAC协议的设计提出了挑战。本文提出了一种基于多通道射频硬件的高可靠MAC协议，协议要求网络中所有节点在运行过程中按照各自选定的通道切换模式进行同步的通道切换。在此基础上，协议通过分布式的模式分配算法分割冲突域，降低报文冲突概率；通过实时的通道质量评估和自适应传输机制，优先使用高质量通道传输报文，提高传输成功率；通过融入节能机制的通道访问控制算法，提高网络的能量效率。在拓扑动态性较强的网络中保证报文端到端的传输可靠性是一个挑战，无状态地理转发协议在动态网络中具有比传统路由协议更好的传输可靠性，但在转发节点选择过程中存在较为严重的CTS冲突问题，导致转发节点选择开销的上升和网络综合性能的下降。本文将首选转发节点的概念和相关机制融入无状态地理转发协议的转发节点选择过程，可以大幅降低协议的CTS冲突概率，有效提高网络性能。文中同时给出了一种高效的CTS冲突解决算法，可在CTS冲突发生时快速、低开销地解决冲突