无线传感器网络高能效MAC协议的研究

论文摘要

无线传感器网络是多学科交叉、热点的一个研究领域，它是由大量的具有信息采集、数据处理和无线通信等功能的传感器节点组成，用于协作地感知、处理和传输监测信息，有着广泛的应用前景。MAC协议是无线传感器网络中的关键技术之一，MAC协议决定传感器节点接入无线信道的方式，以及何时进行数据的交换，因此其成为热点研究领域之一。在无线传感器网络中能量受限是制约其发展的重要因素之一，如果能对MAC协议进行改进，提高MAC协议的能量使用效率，那么对整个网络的能效都会有着积极的影响。因此，本文从能效的角度出发，重点开展对无线传感器网络MAC协议能效性的研究。本文针对S-MAC协议与TEEM协议存在能量浪费的问题，在两个协议的基础上提出了具有低能量消耗的LEC-MAC协议。首先，LEC-MAC协议采用竞争窗口的自适应调节机制，改变了S-MAC协议与TEEM协议采用固定竞争窗口的方法。在LEC-MAC协议中竞争窗口的大小可根据网络负载的变化进行动态的调整，网络负载大则竞争窗口大，负载小则竞争窗口小，有效避免了因网络负载变化导致碰撞冲突造成的能量浪费；其次，LEC-MAC协议采用扩展的RTS消息机制，将S-MAC协议中的SYNC帧与RTS帧进行融合，相对于S-MAC协议与TEEM协议减小了控制开销造成的能量损耗，缩短了节点的活动时间，同时也减小了由空闲监听而造成的能量损耗；最后，在LEC-MAC协议中采用较长的同步周期，降低了TEEM协议中因频繁的同步操作而造成的能量浪费。利用NS2仿真软件对LEC-MAC协议进行仿真，通过对仿真结果的解析，验证了LEC-MAC在能效性上优于S-MAC协议与TEEM协议。同时针对LEC-MAC协议存在节点发射功率统一的问题，提出了基于功率控制的LEC-MAC协议——PCLEC-MAC协议。在PCLEC-MAC协议中，节点根据与目的节点通信距离的大小，选择较为合适的功率发送报文，避免了近距离通信而采用大功率发送问题造成的能量浪费，同时这种较优的发射功率缩小了每个节点的通信覆盖范围，降低了节点间因碰撞冲突造成的能量浪费。最后，利用NS2方针软件对PCLEC-MAC协议进行仿真，仿真结果显示PCLEC-MAC协议比LEC-MAC协议具有更低的节点能耗，从而验证了其能效性优于LEC-MAC协议。同时利用智能无线抄表系统在应用中验证PCLEC-MAC协议的能效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络概念
• 1.1.2 无线传感器网络结构
• 1.1.3 无线传感器网络特点
• 1.1.4 无线传感器网络应用
• 1.2 研究内容及意义
• 1.3 论文的篇章结构
• 2 高能效 MAC 协议研究与分析
• 2.1 MAC 协议设计分析
• 2.2 MAC 协议能耗分析
• 2.3 高能效 MAC 协议研究现状及分析
• 2.3.1 基于竞争的 MAC 协议研究
• 2.3.2 基于调度的 MAC 协议研究
• 2.3.3 混合 MAC 协议研究
• 2.4 本章小结
• 3 LEC-MAC 协议设计
• 3.1 LEC-MAC 协议设计思路
• 3.1.1 竞争窗口的自适应调整
• 3.1.2 扩展的 RTS 消息机制
• 3.2 LEC-MAC 协议设计解析
• 3.2.1 竞争窗口自适应调整算法
• 3.2.2 扩展 RTS 消息机制分析
• 3.2.3 LEC-MAC 协议通信过程分析
• 3.3 仿真实验分析
• 3.3.1 仿真工具介绍
• 3.3.2 MAC 协议模型设计
• 3.3.3 仿真场景及参数设置
• 3.3.4 仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于功率控制的 MAC 协议设计
• 4.1 PCLEC-MAC 协议设计思路
• 4.1.1 网络层的功率控制
• 4.1.2 链路层的功率控制
• 4.1.3 PCLEC-MAC 协议设计前提条件
• 4.2 PCLEC-MAC 协议设计解析
• 4.2.1 最优邻居节点个数
• 4.2.2 邻居节点选择机制分析
• 4.2.3 调度机制分析
• 4.2.4 发射功率等级分析
• 4.2.5 协议流程图
• 4.2.6 PCLEC-MAC 协议调度通信分析
• 4.3 仿真实验分析
• 4.3.1 方针场景及参数设置
• 4.3.2 仿真结果分析
• 4.4 智能无线抄表系统测试
• 4.4.1 系统简介
• 4.4.2 系统节点设计
• 4.4.3 系统测试及分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目