题目：无线传感器网络MAC层拥塞控制技术研究

随着电子技术和信息社会的发展，“智慧城市”已经成为了社会科技发展的新趋势。无线传感器网络作为物联网的基础技术和核心内容，也成为“智慧城市”发展的重要推动力。近年来，各国学者针对无线传感器网络中存在的各种问题展开了广泛的研究。其中，拥塞的产生是影响无线传感器网络的传输效率的重要问题之一。拥塞普遍存在于各种传统网络，而在无线传感器网络中，由于无线传输特性，无线传感器网络特殊的传输结构以及公平性问题的存在，拥塞呈现出新的问题。目前针对无线传感器网络的拥塞控制方法主要采用传统的在传输层采取端到端控制方式，并且很少考虑无线信道的拥塞问题，也很少针对无线传感器网络的特殊传输结构及存在的公平性问题分析其拥塞特性。因此针对上述问题，本文着重从MAC层角度，结合无线信道特点以及无线传感器网络传输结构和公平性保证问题，在拥塞避免及控制方面展开研究。具体的研究内容包括：1、在对无线传感器网络中拥塞产生原因的深入分析的基础上，提出了一种MAC层拥塞避免及缓解方案：带碰撞和拥塞避免的载波侦听多路访问（CSMA/CCA）。其基本思想是在带碰撞避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）技术的基础上，进行拥塞避免优化，通过自适应地调控节点的信息发送，以减少同时竞争信道节点的数量，提高信息发送效率，以提供MAC层拥塞避免功能，这包括信道拥塞避免和堆栈拥塞避免。算法采用了本地点到点的控制方式，减少了控制信息的传输，降低了控制耗费。仿真实验表明，CSMA/CCA在丢包率，吞吐量，传输时延和时延抖动，以及能耗方面的性能都有较好的表现。2、在对树状无线传感器网络的传输特点的分析的基础上，发现了存在于树状传输结构网络中的“假象”拥塞问题，并针对这一问题，提出了一种MAC层的层次化拥塞避免机制（HCA），给出了针对树状无线传感器网络的“假象”拥塞问题的控制方案。HCA算法通过调整最小竞争窗口的方法，根据节点在传输树中的层次和子节点的数量调整节点的信道接入概率。算法给出了层最小竞争窗口和节点最小竞争窗口的计算模型，并在理论上证明了模型符合树状网络的传输特点，并给出了最小竞争窗口的上限。最后采用实验验证的方法，证明了HCA算法与其它算法相比在丢包率，吞吐量和能耗方面均有较大幅度改善，这验证了HCA算法对“假象”拥塞的控制效率。3、在分析树状无线传感器网络中拥塞问题的基础上，结合树状无线传感器网络中存在的信息传输的不公平性问题，提出了一种针对树状无线传感器网络的公平性本地信息发送速率控制方案（LRA）。LRA通过自适应地调控节点自身采集信息的发送速率，给予节点转发信息更多的发送机会和更高的传送概率，以降低偏远节点的丢包率，从而在预防和缓解拥塞的同时提高网络公平性。真实节点平台实验和仿真实验表明，算法在丢包率，吞吐量，公平性以及能耗方面的性能都有较好的表现。