无线传感器网络流量自适应MAC协议的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络由大量能量受限制的传感器节点通过自组织方式组成,节点之间协作完成网络的数据传输。然而由于节点体积和成本的限制,传感器节点通常在计算能力、通信能力和能量等方面受到极大影响,节点的能量消耗源自容量有限的电池。如何实现无线传感器网络能量消耗最小化以及最大化网络生存时间,是无线传感器网络的优化目标。现有的研究工作从不同的方向来延长无线传感器网络的生存时间,本文则从链路层中的MAC协议出发,研究了无线传感器网络中优化MAC协议的方法来延长网络的生存时间。针对流量变化问题,本论文提出了一种流量自适应的具有共同侦听／休眠类型的MAC协议。新MAC协议采用全网同步,整个网络中所有传感器节点采用同一个调度表,以便全网节点同时进入侦听周期和休眠周期,减少同类MAC协议中虚拟分簇机制导致的空闲侦听能量浪费；节点根据发送队列中的数据分组个数,自适应地调整节点的占空比,增加节点的侦听时间,减少数据分组的端到端延迟,提高网络的吞吐量；采用一种新的退避策略,依据最近五个工作周期内节点发送数据分组的退避次数和碰撞次数调整竞争窗口,在网络高负载情况下增加发送数据分组的退避时间,减少数据分组出现碰撞的概率,在网络低负载情况下减少节点的发送数据分组时的退避时间,减少节点空闲侦听时间和数据分组的延迟。在NS2仿真平台上搭建无流量网络、单一流量网络、流量汇聚网络以及随机部署网络等四种仿真实验,将基于流量自适应MAC协议与IEEE802.11协议和SMAC协议分别运行在四种仿真实验中,根据仿真实验中的跟踪文件分析三种协议的性能,分析结果表明在不同流量和不同拓扑的仿真无线传感器网络中,本论文提出的MAC协议在网络吞吐量和分组延迟方面表现良好,并且延长了网络的生存时间。通过本课题的研究,为进一步研究无线传感器网络提供了方法,下一步的工作将主要集中于复杂环境中新MAC协议的波动问题研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 无线传感器网络简介
• 1.3.1 无线传感器网络节点结构
• 1.3.2 无线传感器网络特点
• 1.3.3 无线传感器网络与现有无线网络的区别
• 1.3.4 无线传感器网络的应用
• 1.4 课题来源
• 1.5 论文组织结构
• 第2章 无线传感器网络MAC协议分析
• 2.1 无线传感器网络MAC协议简介
• 2.2 现有MAC协议概述与分析
• 2.2.1 针对无线传感器网络设计驱动的MAC协议
• 2.2.2 基于调度类的MAC协议
• 2.2.3 具有共同侦听/睡眠周期的MAC协议
• 2.2.4 采用前导取样的MAC协议
• 2.2.5 混合的MAC协议
• 2.3 MAC协议面临的挑战及本文研究工作
• 第3章 基于流量自适应MAC协议的设计
• 3.1 协议的基本描述
• 3.2 流量自适应MAC协议的分组格式
• 3.3 协议中分组的发送和接收
• 3.4 全网同步的设计
• 3.5 退避算法的设计
• 3.6 动态占空比的设计
• 3.7 小结
• 第4章 仿真实验与性能分析
• 4.1 NS2网络模拟平台的简介
• 4.2 仿真平台的搭建
• 4.2.1 基本参数设置
• 4.2.2 节点和数据流配置
• 4.3 跟踪文件的处理
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 无流量情况下的仿真分析
• 4.4.2 单一流量情况下的仿真分析
• 4.4.3 流量汇聚情况下的仿真分析
• 4.4.4 随机部署情况下的仿真分析
• 4.5 小结
• 第5章 总结和展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢