数据采集型传感器网络MAC的传输控制机制研究

论文摘要

随着计算机技术和网络技术的发展,普适计算(Ubiquitous Computing)思想和各种网络技术日益受到人们的关注和重视。无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)技术作为普适计算系统中的一个典型应用,因其在军事侦察、环境监控、医疗监护、农业养殖等领域的巨大应用价值成为当今的研究热点。WSN综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些数据进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。WSN作为一种新型复杂的网络在应用中也尤其特殊之处。传感器节点计算能力、存储能力不高,能量有限且更新不易,这使得能量效率问题成为研究的热点。本论文首先分析了无线传感器网络的MAC协议,然后针对具有较好应用前景的数据采集型无线传感器网络进行分析,并提出了两个高效的MAC传输控制机制。论文首先对CSMA机制进行了研究。作为一个无线网络,WSN的多址接入机制同样要考虑无线信道的特点。但是无线环境下常用的CSMA机制,包括竞争机制和退避机制在这里并不完全适合。本文在详细分析了数据采集型WSN特点的基础上,有针对性地对此类应用的竞争机制和退避机制进行了研究,其中重点是退避机制。论文指出传统的退避机制并不能完全融入数据采集型传感器网络中,需要根据实际网络特点进行修改。之后,本文给出了在数据采集型应用的环境下对这些退避机制的进行完善的具体方法,通过仿真对一些退避机制进行了比较并给出了详尽的分析。随后,论文对数据采集树结构进行了分析,并指出对于数据采集型WSN的MAC协议而言,构造一个负载均匀采集树可以提高MAC的性能,降低数据碰撞,提高网络吞吐量,减少端到端延迟,并能够大幅度降低能量的消耗,延长网络生存时间。由此本文将采集树的生成作为一个为MAC协议服务的重要的机制进行研究。在这里,本文主要讨论了EGTP(负载均匀数据采集树生成协议)协议。这个协议可以使采集树同层节点之间能耗较为均匀,避免节点间能量消耗程度差别过大,能提高整个网络的生存时间;同时也能够降低节点之间的数据包的碰撞概率,提高网络的吞吐量。之后文章对EGTP协议进行了仿真,分析了此协议运行的开销;最后在EGTP协议生成的采集树上运行MAC协议,并通过与其他树形拓扑生成协议的比较分析了其对MAC性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的应用领域和发展前景
• 1.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.1 无线传感器网络的网络结构和节点结构
• 1.2.2 无线传感器网络的通信协议和支撑技术
• 1.3 无线传感器网络的特点及关键技术问题
• 1.4 本章小结及论文结构安排
• 第二章 无线传感器网络MAC协议分析
• 2.1 无线传感器网络MAC协议的特点
• 2.2 无线传感器网络的能量效率问题
• 2.3 无线传感器网络MAC协议的分类介绍
• 2.3.1 基于调度的无线传感器网络MAC协议
• 2.3.2 基于竞争的无线传感器网络MAC协议
• 2.3.3 其他类型MAC协议
• 2.4 本章小结与传输控制机制的研究内容
• 第三章 CSMA机制分析
• 3.1 无线信道中CSMA的特点
• 3.2 基于竞争的机制分析
• 3.3 常用的退避机制分析
• 3.3.1 常用的退避算法介绍
• 3.3.2 常用退避算法在采集树上的适用性
• 3.4 数据采集树上的退避机制
• 3.4.1 采集树上的退避机制特点
• 3.4.2 退避算法
• 3.5 仿真与分析
• 3.5.1 仿真数据及分析
• 3.5.2 结论
• 第四章 数据采集树生成机制
• 4.1 随机采集树生成协议
• 4.2 距离－能量采集树生成协议
• 4.3 EGTP协议分析
• 4.4 EGTP协议内容概要
• 4.4.1 网络的条件要求
• 4.4.2 协议的基本内容与细节分析
• 4.5 采集树生成协议的仿真
• 4.5.1 采集树的构建
• 4.5.2 采集树对于MAC协议性能的影响
• 4.5.3 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间研究工作与成果