无线传感器网络MAC协议性能优化研究

论文摘要

本文对无线传感器网络媒体接入控制（Medium Acccess Control,MAC）协议原理与性能进行研究,并研究了两种基于IEEE 802.15.4标准MAC协议的自适应优化算法。首先,本文论述了无线传感器网络的网络特点、发展情况、应用领域、体系结构以及关键技术。其次,本文指出了传感器网络MAC协议设计的主要目标和难点。详细介绍了IEEE 802.15.4的物理层和MAC层标准,并针对其CSMA/CA机制中参数固定的缺陷研究了两种自适应的改进机制,即ABE-BEB算法和ABW-BEB算法。两种改进算法的基本思想是：根据传感器节点的历史传输状态,ABE-BEB算法可以动态调整退避指数的最小值,ABW-BEB算法可以动态调整竞争窗口的大小,从而提高传感器节点的数据传输成功率,减少节点接入时延和分组碰撞带来的能量损失。节点对参数的调整是基于对历史数据的分析：当节点前一次数据传输成功,可以将退避指数最小值和竞争窗口减小,以减少退避周期的选择范围和信道监测次数,增大节点下一次竞争信道的成功率；反之,当前一次数据传输失败后,可以将退避指数最小值和竞争窗口增大,进而增大退避周期的随机选择范围与信道监测次数,从而使节点在下一次传输时避免数据包再次发生碰撞。总之,两种算法分别对两个不同的系统参数进行动态调整,以实时适应网络的变化。最后,本文使用网络仿真软件OPNET对上述两种改进算法的性能进行了仿真验证。在同样的输入业务负载条件下,与传统IEEE 802.15.4标准的MAC协议相比,ABE-BEB和ABW-BEB算法能够显著提高系统的吞吐量,减少数据包的重发次数,减小节点的信道接入时延。

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 无线传感器网络的主要应用
• 1.2.1 军事应用
• 1.2.2 环境检测应用
• 1.2.3 空间探索
• 1.2.4 医疗健康
• 1.3 无线传感器网络的基本特点
• 1.4 无线传感器网络的体系结构
• 1.4.1 无线传感器网络节点的体系结构
• 1.4.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.4.3 无线传感器网络的协议栈
• 1.5 无线传感器网络的关键技术和研究现状
• 1.5.1 无线传感器网络的关键技术
• 1.5.2 无线传感器网络的研究现状
• 1.6 本论文结构安排
• 第二章 无线传感器网络的MAC层协议
• 2.1 无线传感器网络MAC协议设计的问题与挑战
• 2.2 无线传感器网络MAC层能量耗费的原因
• 2.3 基于固定分配的无线传感器网络MAC协议
• 2.4 基于竞争的无线传感器网络MAC协议
• 2.4.1 IEEE 802.11 MAC协议原理
• 2.4.2 S-MAC协议
• 2.4.3 T-MAC协议
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于IEEE 802.15.4规范标准的无线传感器网络
• 3.1 IEEE 802.15.4标准概述
• 3.2 无线个人局域网中的节点和通信方式
• 3.3 IEEE 802.15.4规范标准的物理层协议
• 3.4 IEEE 802.15.4规范标准的MAC层协议
• 3.4.1 超帧结构
• 3.4.2 竞争访问时段
• 3.4.3 非竞争访问时段
• 3.4.4 帧间隔（IFS）
• 3.5 MAC层载波侦听多路访问冲突避免（CSMA/CA）算法
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于IEEE 802.15.4的MAC协议的改进机制研究
• 4.1 IEEE 802.15.4标准中的基本问题
• 4.1.1 CSMA/CA机制的马尔科夫链分析
• 4.1.2 IEEE 802.15.4标准中的问题
• 4.2 自适应退避指数调整算法——ABE-BEB算法
• 4.3 自适应竞争窗口调整算法——ABW-BEB算法
• 4.4 两种自适应算法的综合运用
• 4.5 本章小结
• 第五章 仿真与结果
• 5.1 仿真工具OPNET介绍
• 5.2 仿真建模模型介绍
• 5.2.1 网络建模
• 5.2.2 节点模型
• 5.2.3 进程模型
• 5.3 协议仿真及结果分析
• 5.3.1 无线传感器网络吞吐量仿真
• 5.3.2 无线传感器网络工作负载仿真
• 5.3.3 发送节点接入信道的延迟仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作的总结
• 6.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献