电子围界无线传感器网络MAC协议研究

论文摘要

介质访问控制（Medium Access Control,MAC）协议是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。在无线传感器网络的电子围界应用中,由于传感器节点所采集的数据需要实时上报给汇聚节点,以实现对关键区域的监控,因此,尽可能降低通信延时和节省能量消耗是这类应用需要MAC协议解决的关键问题。论文依据电子围界应用对无线传感器网络的需求,针对MAC协议进行了分析与测试,提出了跨层设计的节能的MAC协议和改进算法。论文首先介绍了无线传感器网络及其MAC协议,对典型的无线传感器网络MAC协议进行了分类研究,并详细分析和比较了各类MAC协议的特点和具体MAC协议的优缺点。在前期工作中,我们针对电子围界应用中的延时和节能需求,提出了SP-MAC协议。论文选择B-MAC协议为参考,通过建立小型测试网络,测试、分析了两个协议的节能和延时性能。实验结果表明,在不同流量的无线传感器网络环境中,SP-MAC协议在延时性能和节能性能上均优于B-MAC协议。针对测试中发现的网络负载不均衡问题,在SP-MAC协议的基础上,我们提出了NSP-MAC协议。NSP-MAC协议采用跨层设计的思想,兼有网络层路由功能;并通过转发邻居挑选机制选择剩余能量多或转发长度小的节点承担数据转发任务,从而有效地改善网络负载均衡,延长网络生存时间。最后,论文在MANTIS OS系统中实现了NSP-MAC协议,并对NSP-MAC协议进行了性能测试。试验结果表明协议在节能性能上取得了提高,能更好地满足电子围界应用的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究内容
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络MAC协议分析
• 2.1 无线传感器网络
• 2.1.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络的协议栈
• 2.1.3 无线传感器网络的特点
• 2.1.4 无线传感器网络的应用
• 2.2 无线传感器网络MAC协议分类
• 2.3 典型的无线传感器网络MAC协议
• 2.3.1 基于竞争的MAC协议
• 2.3.2 基于调度的MAC协议
• 2.3.3 其他类型的MAC协议
• 2.4 无线传感器网络MAC协议分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器网络MAC协议的测试与分析
• 3.1 SP-MAC协议
• 3.2 B-MAC协议和SP-MAC协议的延时分析
• 3.3 测试平台简介
• 3.3.1 硬件平台
• 3.3.2 软件平台
• 3.4 协议测试实验
• 3.4.1 场景设计
• 3.4.2 评价指标及实验参数
• 3.4.3 测试结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 NSP-MAC协议设计
• 4.1 SP-MAC协议和路由协议的节能分析
• 4.1.1 SP-MAC协议的节能分析
• 4.1.2 路由协议的节能分析
• 4.2 NSP-MAC协议描述
• 4.2.1 NSP-MAC协议工作原理
• 4.2.2 转发邻居挑选算法
• 4.2.3 转发邻居挑选算法的性质
• 4.2.4 转发邻居挑选算法的节能性能分析
• 4.3 NSP-MAC协议设计
• 4.3.1 MAC层接口设计
• 4.3.2 MAC帧设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 NSP-MAC协议的实现与测试
• 5.1 NSP-MAC协议实现
• 5.1.1 软件环境
• 5.1.2 MAC层状态机
• 5.1.3 数据发送过程
• 5.1.4 数据接收过程
• 5.2 NSP-MAC协议测试
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果