无线多媒体传感器网络实时MAC协议研究

论文摘要

随着监测环境的日趋复杂多变,传统无线传感器网络所获取的简单数据已不能满足人们对环境监测的全面需求,迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来,以实现全面有效的环境监测。无线多媒体传感器网络正是在传统无线传感器网络基础上引入了音频、视频、图像等多媒体信息感知功能的一种新型传感器网络,由于其感知信息量丰富,因此具有更为广阔的应用前景。论文以无线多媒体传感器网络中极为重要的QoS保障问题为研究背景,对典型应用环境下支持QoS的MAC协议展开研究。其主要工作如下:在对传统无线传感器网络经典MAC协议及无线多媒体传感器网络QoS需求进行分析的基础上,针对无线多媒体传感器网络中两种服务模式的业务数据特点,提出了一种基于时隙预留的多信道实时MAC协议StreamPathMac。该协议使用基于单跳簇的两层网络结构,将竞争机制与调度机制相结合,在保障两类数据实时性的同时,兼顾能量有效性以及流媒体数据的抖动处理。StreamPathMac利用流媒体数据的周期性特点,在源节点响应流媒体查询之前,事先建立一条从源节点到汇聚节点的流路径,路径上的簇头在每个时间帧均为该流预留特定的时隙,使得源节点的流媒体数据在每一跳都能被及时的接收并转发,从而最小化数据包在每一次转发时的信道接入时延。为了能够对本文所提出的协议进行仿真评价,在OMNeT++仿真平台及其移动框架MF2的基础上进行扩展,使其符合无线多媒体传感器网络的应用场景。此外,为了构造协议所适用的网络模型,首先实现了经典的分簇算法HEED,然后在所有簇头间实现一个扩展了全网广播功能的最小跳数路由协议。在以上工作的基础上,将StreamPathMac协议在仿真平台上实现,并从流媒体数据包的端到端时延与时延抖动、流媒体查询的响应时间、报告数据包的端到端时延和节点响应一次流媒体查询的能量消耗等方面对协议进行考察。仿真实验结果表明,本文协议明显减小了流媒体数据的端到端时延与时延抖动,并且达到了较好的能量有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 无线多媒体传感器网络的研究现状
• 1.2.1 多媒体传感器节点
• 1.2.2 多媒体信息处理
• 1.2.3 媒体信息的传输问题
• 1.3 本文研究内容与章节安排
• 第二章 WMSN的MAC协议研究现状
• 2.1 WMSN的QoS需求
• 2.2 拓扑控制
• 2.2.1 功率控制
• 2.2.2 睡眠调度
• 2.3 WMSN的MAC协议研究进展
• 2.3.1 基于竞争的协议
• 2.3.2 无竞争的协议
• 2.3.3 混合机制协议
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于时隙预留的多信道实时MAC协议
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.3 网络模型
• 3.4 分簇方法
• 3.5 时间帧结构
• 3.6 基于时隙预留的流路径优化
• 3.7 协议实现
• 3.7.1 流路径的建立
• 3.7.2 流路径的拆除
• 3.7.3 MAC调度
• 3.8 小结
• 第四章 搭建WMSN仿真平台
• 4.1 无线传感器网络的仿真工具
• 4.2 OMNeT++仿真平台简介
• 4.2.1 OMNeT++组成
• 4.2.2 OMNeT++结构
• 4.2.3 建模的概念
• 4.3 移动框架Mobility Framework
• 4.3.1 移动框架概述
• 4.3.2 基本原理
• 4.3.3 物理层模块
• 4.3.4 动态连接管理
• 4.4 OMNeT++4.0及Mobility Framework2.0安装
• 4.5 小结
• 第五章 协议仿真实现与分析
• 5.1 协议的仿真实现
• 5.1.1 电池模块
• 5.1.2 多信道物理层的实现
• 5.1.3 WMSN的应用层
• 5.1.4 WMSN汇聚节点
• 5.1.5 HEED分簇的实现
• 5.1.6 路由协议
• 5.1.7 StreamPathMAC
• 5.2 实验结果与分析
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文及研究工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间已发表的论文