一种基于自适应占空比的无线传感器网络MAC协议研究

论文摘要

微机电系统、无线通信技术、微型传感器技术和嵌入式技术等技术的进步,推动了无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络。它能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,再传送给观察者。无线传感器网络已成为工业界及学术界的一个研究热点,有着非常广阔的应用前景。介质访问控制（MAC）协议决定了无线信道使用的方式,在传感器节点之间分配有限的通信资源,已成为无线传感器网络研究热点。本文从低能耗和低时延的角度研究无线传感器网络中的MAC协议。MAC协议大致分为两大类:基于竞争的MAC和基于时分复用的MAC。S-MAC协议是一种典型的基于竞争的MAC协议,较好地满足了无线传感器网络中的能量需求。但是,S-MAC作为一种具有固定占空比的MAC协议,对于数据流随时间和位置变化的场景,其性能表现不好。本文在其中引入自适应占空比,在网络流量突发状况时对节点的占空比及时作出调整。分析和仿真结果表明,我们的改进方案使节点的活动时间能够较好地适应通信负载的动态变化,减小了时延及丢包,提高了网络吞吐量,并明显地降低了能耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究与发展现状
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文主要工作和结构安排
• 第二章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.1 无线传感器网络结构
• 2.1.2 无线传感器网络节点的组成
• 2.1.3 无线传感器网络的协议栈
• 2.2 无线传感器网络的特征
• 2.2.1 无线传感器节点的特征
• 2.2.2 无线传感器网络的特点
• 2.2.3 无线传感器网络与无线自组网的区别
• 2.3 无线传感器网络的应用
• 2.3.1 军事应用
• 2.3.2 环境应用
• 2.3.3 医疗应用
• 2.3.4 建筑及城市管理应用
• 2.4 无线传感器网络的研究进展
• 2.4.1 军事领域的研究进展情况
• 2.4.2 民用领域的研究进展情况
• 2.4.3 学术界的研究进展情况
• 2.5 本章小节
• 第三章 无线传感器网络MAC协议分析
• 3.1 无线传感器网络MAC协议面临的问题
• 3.1.1 无线传感器网络流量特点
• 3.1.2 无线传感器网络的通信模式
• 3.1.3 无线传感器网络的能耗分析及损耗原因
• 3.2 无线传感器网络MAC层协议的设计目标
• 3.3 无线传感器网络常见的MAC协议分类分析
• 3.3.1 基于固定分配类的MAC协议
• 3.3.2 基于竞争类MAC协议
• 3.4 本章小结
• 第四章 S-MAC协议及其现有改进方案
• 4.1 S-MAC协议的采用的机制
• 4.1.1 周期性监听和休眠
• 4.1.2 流量自适应监听机制
• 4.1.3 串音避免
• 4.1.4 消息传递
• 4.2 S-MAC协议中存在的问题
• 4.3 S-MAC协议现有的各种改进方案
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于动态占空比调整的S-MAC协议
• 5.1 动态占空比调整方案思想
• 5.2 排队论模型
• 5.3 S-MAC通信协议的排队论分析
• 5.4 占空比调整算法
• 5.5 本章小节
• 第六章 基于NS-2的网络仿真及结果分析
• 6.1 无线传感器网络仿真技术简介
• 6.2 NS-2仿真软件介绍
• 6.2.1 NS-2概述
• 6.2.2 NS-2中协议与上下层的接口
• 6.2.3 NS-2网络仿真过程
• 6.3 动态占空比调整机制在NS-2中实现
• 6.4 仿真参数设置
• 6.4.1 网络模型假设及仿真参数
• 6.4.2 节点的创建和配置
• 6.4.3 节点能量的配置
• 6.4.4 数据流的产生
• 6.5 仿真结果分析
• 6.5.1 试验的拓扑结构
• 6.5.2 能量有效性分析
• 6.5.3 网络延迟分析
• 6.5.4 网络吞吐量分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 读研期间发表论文