【摘 要】
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随着物联网的大规模部署,频谱资源变得愈发紧张,节点数目的爆发式增长使得为节点更换电池逐渐成为一项具有挑战性的任务,废弃的电池若处理不当很容易造成环境的污染。环境反向散射无源物联网不需要设置额外的射频源,节省了宝贵的频谱资源,节点具有从周围环境射频信号中采集能量的能力,摆脱了对电池的依赖,从而能够快速推动物联网的大规模应用。网络中的多个节点在传输数据时可能存在数据冲突问题,在无源物联网中同样如此。介
【基金项目】
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通信网信息传输与分发技术重点实验室基金课题HHX22641X002；
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随着物联网的大规模部署,频谱资源变得愈发紧张,节点数目的爆发式增长使得为节点更换电池逐渐成为一项具有挑战性的任务,废弃的电池若处理不当很容易造成环境的污染。环境反向散射无源物联网不需要设置额外的射频源,节省了宝贵的频谱资源,节点具有从周围环境射频信号中采集能量的能力,摆脱了对电池的依赖,从而能够快速推动物联网的大规模应用。网络中的多个节点在传输数据时可能存在数据冲突问题,在无源物联网中同样如此。介质访问控制（MAC）协议为无源物联网节点分配有限的信道资源,减少数据传输时的碰撞,是影响网络性能的关键因素。环境反向散射无源物联网能量采集速率较低,节点储存的能量是极其宝贵的资源,如何减少节点数据传输时的碰撞,从而尽可能地降低节点的能量损耗是MAC协议设计时的关键。本文提出了基于能量优先级的环境反向散射无源物联网MAC协议:EP-MAC（Energy Priority MAC）和改进型EP-MAC。EP-MAC提出划分冲突域这一方案,节点依据自身剩余的能量划分为若干具有不同传输优先级的冲突域,剩余能量越多的节点所处的冲突域传输优先级越高。不同冲突域中的节点通过不同的固定等待时长降低彼此发生碰撞的概率,相同冲突域中的节点则进一步通过随机的退避时长减少碰撞。由于节点能量具有动态变化的特性,传输优先级较低的节点随着能量的积蓄会逐渐提高自身的优先级,从而保证节点数据传输的公平性。改进型EP-MAC将节点数据的有效期新增为节点划分冲突域的决策之一,并考虑到网络中可能存在的能量分布不均匀的情况,优化了节点划分冲突域的方案。NS-3网络仿真器的实验结果表明,EP-MAC相较CSMA/CA和纯ALOHA在网络吞吐量、降低碰撞率、数据投递率上均有一定的提升。当节点数目为50个时,EPMAC相较CSMA/CA提升了46.1%的吞吐量、降低了19.7%的数据碰撞率、提升了31.5%的数据投递率。此外,EP-MAC具有更好的网络能量特性,且提供了其他两种协议没有的优先级机制。改进型EP-MAC在网络能量分布不均匀时对冲突域的划分更加合理,性能相较EP-MAC更优,且在无源物联网节点储能元件容量较大时能够更好地保证节点数据传输的公平性。
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