低延时无线传感器网络信道接入协议研究

论文摘要

无线传感器网络的媒体访问控制子层（MAC）协议对传感器网络的工作寿命和整体性能具有重要的影响,MAC协议的基本任务是协调节点接入共享通信媒体的接入时间,即解决节点共享网络媒体的接入问题。WSNs中传感器节点在计算、存储、通信和电池供电等物理性能方面有较大的限制,因此在保证某些特定性能和应用相关性能得到满足的前提下,如何降低节点的工作能耗,减少数据包在网络中的转发延时,实现网络的能量高效,延长整个网络的工作寿命,对于WSNs的实际应用具有重要的理论意义和应用价值。本文首先对WSNs网络的MAC协议的基本原理、控制策略、影响因素以及性能评价指标等方面进行研究总结,分析了各类MAC协议的基本原理、应用背景及性能。然后通过重点研究基于竞争的SMAC协议,深入分析该算法的特点,针对其数据传输延时大、能耗多等缺点,提出了一种改进MAC协议—LD-MAC。改进后的协议采用提前预约多跳传输节点的方法,实现数据分组的快速转发,减少数据分组在网络中的延时,在一定程度上解决了节点早睡现象的发生。通过数据分组快速转发的实现,最终减少了节点在数据包传输过程中的能耗。改进后的LD-MAC协议在基于NS2仿真平台上进行了编程实现。仿真结果表明,LD-MAC协议与SMAC协议相比,在减少数据包转发延时方面有较好地改进,同时在一定程度上降低了系统能耗,达到了预期要求。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.4 论文组织
• 第二章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络的概念
• 2.2 无线传感器网络的体系结构
• 2.3 无线传感器网络协议栈
• 2.4 无线传感器网络的特点及应用
• 2.5 无线传感器网络的研究领域与成果
• 第三章 无线传感器网络MAC 协议
• 3.1 MAC 协议简介
• 3.2 无线传感器网络MAC 协议分析
• 3.2.1 无线传感器网络MAC 协议的特殊性
• 3.2.2 无线传感器网络的MAC 协议面对的主要难点
• 3.2.3 现有无线传感器网络的MAC 协议的分类
• 第四章 LD-MAC 协议的设计
• 4.1 无线传感器网络无效能耗产生的原因
• 4.2 无线传感器网络的限制性因素
• 4.3 LD-MAC 协议采用的主要机制和总体设计思路
• 4.3.1 低占空比周期监听机制
• 4.3.2 虚拟簇形成机制
• 4.3.3 数据分组域控制信息
• 4.4 LD-MAC 协议的改进策略
• 4.4.1 MAC 层网络延时解决策略
• 4.4.2 LD-MAC 协议虚拟簇的形成和RTS/CTS 通告机制
• 4.4.3 数据报文和ACK 报文
• 4.4.4 冲突避免和快速转发算法
• 4.4.5 隐终端问题的解决策略
• 4.4.6 早睡问题的解决策略
• 4.5 LD-MAC 协议的设计实现
• 4.5.1 SYNCH 消息和RTS/CTS 通告机制
• 4.5.2 数据报文和ACK 报文
• 4.5.3 冲突避免和快速转发算法
• 第五章 LD-MAC 仿真测试
• 5.1 仿真工具NS2 介绍
• 5.1.1 NS2 与通信网络模拟
• 5.1.2 分裂式对象
• 5.2 仿真环境
• 5.3 仿真结果及分析
• 5.3.1 数据包的转发延时
• 5.3.2 数据包的转发能耗
• 5.4 仿真结果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文目录