无线传感器网络多信道MAC协议MCMS的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络是计算机科学领域一个新的研究热点,它在诸如地理探测、环境监测、国防军事、精细农业以及运输业、工业、商业等各个领域的广阔应用前景引起了学术界和工业界的高度重视。无线传感器网络的关键技术主要包括MAC协议、路由协议、低功耗技术、数据融合、网络管理、定位和安全等。其中,无线传感器网络的MAC协议直接控制物理层并向网络层提供服务,对传感器网络的性能有极大影响,是保证传感器网络高效通信的关键点和难点之一。本文主要针对无线传感器网络的MAC协议展开了研究。本文通过深入研究Ad hoc网络和传感器网络中各种经典的单信道和多信道MAC协议,总结出了无线传感器网络的信道特征,并针对此特征设计了无线传感器网络的一种多信道MAC协议MCMS（Multi-Channel MAC for Sensor networks）。该协议通过有效地融合动态信道分配机制、信道准预留机制、短帧机制和功率控制机制,在保证一定能量有效性的基础上,达到了降低网络的丢包率、提高网络吞吐量和提升抗干扰性能的目的。本文首先回顾了传感器网络的研究背景、传感器网络的特征、应用领域、当前国内外研究现状和网络体系结构,随后,本文研究了传感器网络MAC协议的面临的问题,并深入分析了一些经典的无线网络MAC协议特点。然后,在继承和改进多种经典协议的基础上,本文设计了针对无线传感器网络的多信道MAC协议MCMS。最后,本文在SCINs实验平台上实现了MCMS协议,并通过大量实测验证了MCMS协议的性能。分析结果和实测结果表明,与传统的单信道协议相比,多信道的MAC协议MCMS可以显著降低网络流量较大时的网络丢包率,提高流量较大时的网络吞吐量,并且能够很好的改善网络抗干扰性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络研究背景
• 1.1.2 无线传感器网络的特征
• 1.1.3 传感器网络的应用领域
• 1.1.4 国内外研究现状
• 1.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.1 无线传感器网络节点硬件结构
• 1.2.2 通信协议栈
• 1.3 无线传感器网络的关键技术和应用支撑技术
• 1.3.1 传感器网络的关键技术
• 1.3.2 传感器网络应用支撑技术
• 1.4 论文的研究目的和意义
• 1.5 论文主要内容和结构安排
• 第2章 无线传感器网络MAC协议综述
• 2.1 MAC协议面临的问题
• 2.1.1 功耗管理
• 2.1.2 干扰问题
• 2.1.3 可扩展性
• 2.1.4 接入公平性
• 2.1.5 分组的延迟
• 2.1.6 吞吐量
• 2.2 MAC协议的分类
• 2.3 典型的MAC协议分析
• 2.3.1 典型的WSN单信道MAC协议
• 2.3.2 典型的多信道MAC协议
• 2.4 本章小结
• 第3章 多信道MAC协议MCMS的设计
• 3.1 功率控制技术原理
• 3.2 MCMS的信道分配和媒体接入方法
• 3.2.1 信道划分方法
• 3.2.2 MCMS的信道分配和媒体接入策略
• 3.2.3 MCMS的多信道虚拟侦听
• 3.2.4 MCMS的信道列表和邻节点表
• 3.2.5 MCMS信道表过期出错及解决办法
• 3.3 MAC帧报文结构
• 3.3.1 帧控制字段（Frame control）
• 3.3.2 帧序列号字段（Sequence number field）
• 3.3.3 帧负载字段（Frame payload field）
• 3.3.4 帧校验序列字段（FCS field）
• 3.4 MCMS的信道预约和数据发送的方式与流程
• 3.4.1 MCMS的信道预约和数据发送
• 3.4.2 MCMS数据传输结束后各节点动作
• 3.5 控制信道路由广播
• 3.6 MCMS的变频抗干扰策略
• 3.7 本章小结
• 第4章 MCMS协议的实验平台与编程实现
• 4.1 实验系统硬件平台SCINs
• 4.1.1 硬件平台设计原理
• 4.2 基于SCINs平台的MCMS协议实现
• 4.2.1 部分重要数据结构
• 4.2.2 MAC层接口函数
• 4.2.3 三次握手实现
• 4.2.4 短帧发送与接收
• 4.3 SCINs后台监控管理平台
• 4.4 本章小结
• 第5章 MCMS协议的实测验证
• 5.1 实测设备和实测环境
• 5.1.1 硬件设备
• 5.1.2 软件设备
• 5.2 实测约定
• 5.3 丢包率实测
• 5.3.1 点对多点的通信丢包率测试
• 5.3.2 多点对多点丢包率实测
• 5.4 多点对多点分组到达率测试
• 5.5 抗干扰实测
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文的总结
• 6.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所做工作