无线传感器网络MAC层节能机制研究

论文摘要

作为一项正在迅速发展的技术,无线传感器网络（WSNs, Wireless Sensor Networks）技术已经得到了广泛的应用并且成了信息技术领域的研究热点之一。在WSNs的设计中,通常要考虑其节能性、延迟性、服务质量、容错性和扩展性等因素。由于无线传感器节点硬件和能量的限制,与其网络生存期密切相关的节能性显得尤为重要。研究者们设计了各种节能机制来延长WSNs的生存期。其中就包含各种网络层以及介质访问控制（MAC）子层的节能机制。而本文的研究对象正是MAC子层的节能机制。主要研究工作如下：首先,对WSNs的能耗和其中的节能机制进行研究。在WSNs中无线传感器节点的收发器消耗了WSNs的绝大部分能量。因此研究如何减少收发器的能耗对于节省整个WSNs的能量并延长网络生存期具有重要意义。本文对WSNs中网络层和MAC层的一些协议进行了细致的分析。通过对网络层协议的研究发现,网络层协议的节能措施主要有：减少单跳的传输距离,减少总的跳数,对传输中的数据进行数据聚集等。而通过对MAC层协议的研究发现,MAC层协议的节能措施主要有：降低数据发送冲突的几率,采取周期性唤醒／休眠的调度机制,采用前导抽样技术减少空闲监听等。接着,对休眠／唤醒调度周期同步的S-MAC （Sensor MAC,S-MAC）和休眠／唤醒调度周期异步的DPS-MAC （Dual Preamble Sampling MAC,DPS-MAC）进行研究。在分析比较二者的节能性和延迟性之后发现,虽然S-MAC调度周期同步机制带来了额外的同步开销,但是该机制有效地避免了DPS-MAC中短频闪前导带来的能耗；而DPS-MAC检测信道的方式是利用RSSI的值对信道进行两次抽样（即所谓的双前导抽样）来判断信道是否被占用,因此DPS-MAC中又不存在S-MAC每个调度周期开始时监听信道的能耗。在比较二者的优点和缺点之后,本文展示了一种结合二者优点的本地同步机制。经分析发现,这种本地同步机制比前二者更加节能。最后,基于网络仿真平台NS2 （Network Simulator 2）,对带有本地同步机制的DPS-MAC和不带本地同步机制的DPS-MAC的节能性和延迟性进行评估。节能性是用节点的收发器处于发送和接收的时间在整个仿真期间所占的比例来评价的；延迟性则是用分组的6跳传输延迟来评价的。仿真结果显示,本地同步机制可使DPS-MAC更加节能,而且加入本地同步机制后DPS-MAC的延迟性能几乎保持不变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 无线传感器网络的应用
• 1.2 无线传感器网络的硬件
• 1.3 无线传感器网络的软件
• 1.4 WSNs的研究现状
• 1.4.1 国外的研究现状
• 1.4.2 国内的研究现状
• 1.5 本文的主要内容
• 第二章 WSNS的能耗分析及其MAC层节能机制
• 2.1 能耗分析
• 2.1.1 节点的结构
• 2.1.2 节点各部分能耗分析
• 2.1.3 节点通信能耗
• 2.2 MAC子层节能协议
• 2.2.1 同步型MAC协议
• 2.2.2 异步型MAC协议
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于S-MAC和DPS-MAC的本地同步机制
• 3.1 传感器MAC（S-MAC）
• 3.1.1 IEEE 802.11 MAC层协议
• 3.1.2 S-MAC的主要机制
• 3.1.3 S-MAC的性能分析
• 3.2 双前导抽样MAC（DPS-MAC）
• 3.2.1 低功耗监听和频闪前导
• 3.2.2 DPS-MAC的主要机制
• 3.2.3 DPS-MAC的性能分析
• 3.3 本地同步双前导抽样算法
• 3.3.1 DPS-MAC和SMAC的比较
• 3.3.2 改进型休眠调度机制
• 3.3.3 性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 节能机制的仿真实现及评估
• 4.1 用NS2仿真的一般步骤
• 4.2 双前导抽样及本地同步机制在NS2中的实现
• 4.3 本地同步双前导抽样算法的仿真及评估
• 4.3.1 节能性的仿真场景及参数设定
• 4.3.2 节能性的仿真场景及参数设定
• 4.3.3 算法性能评估
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参与的科研工作