WSN中面向公平/效率的MAC层协议设计与实现

论文摘要

随着无线通信技术的发展,人们对无线传感器网络的需求逐渐增多。如何平衡节点争用信道的公平性从而延长网络寿命提高网络效率成为无线传感器网络MAC层协议设计中亟待解决的问题,因此WSN中面向公平/效率的MAC层协议的设计与实现具有一定的现实意义。无线传感器网络节点能量十分有限,如何使各节点相对公平的争用信道从而延长网络寿命成为无线传感器网络首要考虑的因素之一。另一方面,提高信道利用率减少时延也十分重要。综合考虑上述两方面因素,有必要对IEEE802.15.4MAC层协议进行深入细致的研究与分析。首先,本文针对由于节点竞争能力差异所导致的信道争用不公平的问题,在分析了现有时隙保障机制优劣的基础上,提出了一种基于优先级的面向公平/效率的MAC层算法,通过引入分区竞争和分时调度减少节点产生竞争冲突的概率。其次,本文针对分区竞争阶段提出了表征节点公平性程度的三种特征参数,并通过模糊分类的方法划分节点的优先级。本文在理论分析的基础上,改进了IEEE802.15.4的超帧结构,设计了具体帧格式,并实现了改进算法。最后,通过具体实验从公平性指标和信道利用率两方面验证算法的有效性,并从跨层的角度,结合具体路由协议和网络拓扑结构,分析了改进的MAC层算法对网络层产生的影响。实验结果表明,本文的研究工作有效地解决了传统CSMA/CA机制下由于节点竞争差异所导致的信道争用不公平等问题,减小了节点最大退避次数和缓存占用率,平衡了整个网络的能量分布,增加了信道利用率,从而延长了网络寿命。同时,改进的MAC层协议对网络层产生了一定影响,增加了有效路径条数,改变了路由跳数,但增加了一定时延。进而从MAC层和路由层分别验证了本文提出算法的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及现状
• 1.1.1 IEEE 802.15.4概述
• 1.1.2 课题研究现状
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 本文的工作及组织结构
• 第2章 IEEE 802.15.4 MAC层协议分析
• 2.1 IEEE 802.15.4简介
• 2.1.1 设备类型
• 2.1.2 拓扑结构
• 2.1.3 工作模式
• 2.1.4 超帧简介
• 2.2 CSMA/CA机制分析
• 2.2.1 CSMA/CA的应用范围
• 2.2.2 CSMA/CA的分类
• 2.2.3 CSMA/CA的算法流程
• 2.3 保障时隙机制的分析
• 2.3.1 保护时隙的分配与使用
• 2.3.2 保障时隙的释放与重新分配
• 2.3.3 保护时隙的管理与期限
• 2.4 现有GTS机制的不足分析
• 2.4.1 多重信标机制
• 2.4.2 动态GTS机制
• 2.4.3 自适应GTS机制
• 2.5 本章小结
• 第3章 MAC层特征参数选择与模糊分类
• 3.1 基于历史特征参数的分级思想
• 3.2 特征参数的选择与分析
• 3.2.1 退避次数
• 3.2.2 缓存队列长度
• 3.2.3 剩余能量
• 3.3 基于优先级的模糊分类
• 3.3.1 模糊分类的算法思想
• 3.3.2 贴近度的计算
• 3.3.3 贴近度方法的比较与选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于优先级的FEO算法设计与分析
• 4.1 面向公平/效率的设计思想
• 4.2 传统超帧结构设计
• 4.3 基于历史信息的超帧设计
• 4.3.1 超帧结构设计
• 4.3.2 分时调度
• 4.3.3 分区竞争
• 4.4 MAC层网络协议的理论模型分析
• 4.4.1 网络公平性的理论分析
• 4.4.2 网络效率的理论分析
• 4.5 FEO算法设计
• 4.5.1 帧格式设计
• 4.5.2 算法流程
• 4.5.3 算法函数描述
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于优先级的FEO算法实现与性能分析
• 5.1 实验平台简介
• 5.1.1 硬件环境及设备
• 5.1.2 软件平台
• 5.2 基于优先级的FEO算法实现
• 5.2.1 场景设计
• 5.2.2 实验参数
• 5.2.3 测试结果及分析
• 5.3 FEO算法对网络层的影响分析
• 5.3.1 LEACH路由协议概述
• 5.3.2 实验参数的设置
• 5.3.3 测试结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的贡献
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文