无线传感器网络的分簇协议和MAC协议的研究

论文摘要

无线传感器网络是一种依靠大量部署在恶劣环境下、条件极端受限（比如能量有限且不可恢复,通信能力有限等）的动态自组织节点的协作配合来工作的新兴网络技术。无线传感器网络不需要固定的基础设施的支持,就可以通过灵活的方法从其所部署的环境中收集各种感应数据,从而形成一个分布式网络系统。无线传感器网络的固有特点使得它在许多领域都有着十分重要的作用,比如,环境监测、战场伺服、家居自动化等。同样,无线传感器网络在这些领域的应用也带来了许多研究挑战。无线传感器网络的关键技术是开发任何实际应用的基础。本文尝试对无线传感器网络的两个技术点进行了深入的研究:拓扑控制部分的分簇协议技术,以及数据链路层的MAC协议技术。针对传统被动分簇协议（PassiveClustering）成簇性能不够好的缺点,并且根据无线传感器网络的特点,通过采用簇内分级的思想,提出了一种新的能量高效的基于簇内分级的被动分簇协议（Energy-efficient hierarchical passive clustering）。我们使用一个国外流行的仿真软件OMNET++对它的性能进行验证,结果表明在成簇性能和能量高效性方面都优于传统的被动分簇协议。对于MAC协议,在分析比较了多种传统协议特点的基础上,根据现有的研究进展,对传统的的MAC协议的思想作了改进,并提出了一种新的基于唤醒机制和时分复用思想的W-MAC协议。我们同样对该协议进行了仿真验证,实验结果表明在节能、传输延迟和网络寿命方面优于之前的传统协议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容
• 1.3 论文组织结构
• 第二章 无限传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络概念
• 2.2 无线传感器网络的通信结构
• 2.3 无线传感器网络的通信协议栈
• 2.4 无线传感器网络的特点
• 2.5 无线传感器网络的性能评价
• 2.6 无线传感器网络的应用
• 2.7 无线传感器网络的共性技术
• 2.8 无线传感器网络研究进展
• 2.8.1 军事领域
• 2.8.2 民用领域
• 2.8.3 学术研究领域
• 2.9 本章小节
• 第三章 无限传感器网络结构与分簇算法
• 3.1 无线传感器网络结构
• 3.2 分簇
• 3.2.1 选举簇头
• 3.2.2 选择网关节点
• 3.3 无线传感器网络分簇算法
• 3.3.1 分簇算法基本概念
• 3.3.2 分簇算法基本目标及其性能评价
• 3.4 分簇协议能量高效性的考虑
• 3.5 本章小节
• 第四章 能量高效的基于簇内分级的被动式分簇协议
• 4.1 被动分簇协议及其优缺点
• 4.2 簇内分级思想
• 4.3 能量高效的基于簇内分级的被动式分簇协议（EHPC）
• 4.3.1 相关概念
• 4.3.2 节点类型
• 4.3.3 节点状态
• 4.3.4 包的处理机制
• 4.3.5 EHPC网络拓扑的建立与维护
• 4.3.6 簇头声明
• 4.3.7 簇成员形成
• 4.3.8 网络拓扑的建立
• 4.3.9 网络拓扑的维护
• 4.3.10 具体协议
• 4.4 仿真实验与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于唤醒机制的自组织的时分复用MAC协议
• 5.1 无线传感器网络MAC协议概述
• 5.2 无线传感器网络现有MAC协议分析
• 5.2.1 IEEE 802.11 MAC层协议
• 5.2.2 S-MAC协议分析
• 5.2.3 基于时分复用的MAC协议
• 5.2.4 分析总结
• 5.3 MAC层能量优化
• 5.3.1 MAC协议能耗的考虑
• 5.3.2 MAC协议的节能策略
• 5.4 网络延迟控制的考虑
• 5.5 协议改进
• 5.5.1 协议思想的改进
• 5.5.2 唤醒机制与时分复用思想
• 5.6 基于唤醒机制的自组织的TDMA MAC协议: W-MAC
• 5.6.1 收发时槽（s-slot）和唤醒时槽（w-slot）
• 5.6.2 唤醒包结构
• 5.6.3 信道和传输模型
• 5.6.4 节点时槽自组织流程
• 5.6.5 改进的MAC协议W-MAC
• 5.6.6 检测冲突
• 5.7 仿真实验与分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况