无线传感器网络MAC协议研究及性能优化

论文摘要

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。由于无线传感器一般依赖电池供电,有效节省能源是无线传感器网络MAC协议设计的首要目标,也是无线传感器网络的重要研究课题之一。现有竞争型无线传感器网络MAC层协议的主要设计思路是通过牺牲系统性能来换取能量的节省。尽管这样做在一定程度上达到了节能的效果,但是较低的系统性能也会带来一些问题。本文首先对无线传感器网络的主要特点和组成进行了介绍,给出了无线传感器能量消耗的主要原因。然后分析比较了适用于无线传感器网络的几种MAC协议,对能比较有效解决能量浪费的MAC协议S-MAC做了详细介绍。并通过借鉴S-MAC协议的优秀思想,设计出一种新的高能量有效性的MAC协议,即BA-MAC协议。BA-MAC协议与现有竞争型MAC协议的在一次连接中只能单向传输不同,采用了双向传输的方法,提升了系统的传输性能。此外,BA-MAC采用了自适应技术,可以根据不同的系统状态来动态调整传感器节点发送策略,这样就可以很好地适应不断变化的网络环境。本文通过在网络仿真软件OPNET对协议进行建模仿真,将无线传感器网络中常见的几种MAC协议,如S-MAC和IEEE802.11MAC（DCF）等的性能与BA-MAC的性能进行了比较。结果表明,BA-MAC协议不但有效提升了系统性能,而且在能量节省上存在优势,完全超越了S-MAC。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络的体系结构
• 1.3.1 传感器节点结构
• 1.3.2 传感器网络体系结构
• 1.3.3 传感器网络协议结构
• 1.4 无线传感器网络的研究背景
• 1.4.1 无线传感器网络的发展现状
• 1.4.2 国内外研究机构
• 1.4.3 无线传感器网络的应用
• 1.5 主要研究内容和论文结构
• 第二章 无线传感器网络中的MAC 协议分析
• 2.1 无线传感器网络MAC 层协议设计的问题与挑战
• 2.2 无线传感器网络MAC 层的能量消耗分析
• 2.3 基于竞争的无线传感器网络MAC 协议
• 2.4 无线传感器网络固定分配类MAC 层协议
• 2.5 无线传感器网络中的混合MAC 协议
• 2.6 现有协议的局限性
• 2.7 本章小结
• 第三章 S-MAC 协议介绍
• 3.1 S-MAC 协议的来由
• 3.2 S-MAC 基本机制
• 3.3 S-MAC 的选择/维持调度
• 3.4 S-MAC 节点间维持时间同步
• 3.5 S-MAC 中的冲突/窃听避免
• 3.6 S-MAC 的自适应监听技术和消息传递技术
• 3.7 S-MAC 协议的优缺点
• 第四章 一种优化的竞争型无线传感器网络MAC 层协议——BA-MAC
• 4.1 BA-MAC 的设计背景和意义
• 4.1.1 现有的竞争型无线传感器网络MAC 协议的不足
• 4.1.2 BA-MAC 的主要设计思想和目的
• 4.2 双向传输的BS-MAC（Bidirectional S-MAC）
• 4.2.1 双向传输的实现
• 4.2.2 双向传输的性能分析
• 4.3 自适应网络环境变化的BA-MAC
• 4.3.1 BA-MAC 协议描述
• 4.3.2 系统状态
• 4.3.3 VDCF 算法
• 4.3.4 发送策略
• 4.4 本章小结
• 第五章 仿真分析与结果
• 5.1 仿真工具OPNET
• 5.2 仿真建模模型描述
• 5.2.1 网络建模模型
• 5.2.2 节点建模模型
• 5.2.3 进程建模模型
• 5.3 仿真结果分析
• 5.3.1 双向传输的S-MAC（BS-MAC）的仿真结果以及性能分析
• 5.3.2 BA-MAC 的仿真结果以及性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究过程的主要问题及解决方法
• 6.3 有待解决的问题和工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果