无线传感器网络自适应节能MAC协议的研究

论文摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量微型智能传感器节点通过无线通信方式形成的一种多跳自组织网络系统,具有大规模、动态性、硬件资源有限、以数据为中心、能量受限、应用相关等特点。无线传感器网络中的节点通常采用电池供电,携带的电量十分有限,并且在实际应用中,为节点更换电池往往是很不现实的。因此,节能便成为了无线传感器网络研究的关键问题。节点的能量大部分消耗在了空闲侦听上,MAC协议直接控制无线收发电路,通过对MAC协议进行优化设计,可以很大程度上减少传感器节点的空闲侦听。因此,研究MAC协议对于无线传感器网络是很有必要的。本论文主要贡献是在分析和阐述自适应流量的PMAC (PatternMedium Access Control, PMAC)协议的基础上,对其进行实现和优化,达到提高节点能量利用率的目的。首先,通过研究无线传感器网络现有的MAC协议,发现PMAC协议能够根据网络流量调整唤醒时隙和睡眠时隙的个数,网络流量大时,唤醒时隙个数较多,反之,睡眠时隙个数较多。然后,在现有PMAC协议理论基础上,对PMAC协议进行实现和优化：提出PETF子帧睡醒模式的交换机制、提出改进的同步机制、细化PRTF阶段的数据传输机制、加入TMAC超时机制,并将发送模式消息的PETF阶段和发送同步消息的SYNC阶段合并为一个阶段。最后,在NS2下对改进的PMAC协议和原PMAC协议进行了仿真比较,比较结果说明改进后的PMAC协议在节能方面有其优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络结构
• 1.1.2 无线传感器网络节点结构
• 1.1.3 无线传感器网络协议栈
• 1.1.4 无线传感器网络特征
• 1.2 论文研究意义
• 1.3 论文章节安排
• 第二章 无线传感器网络的节能策略
• 2.1 基于工作周期的节能策略
• 2.1.1 拓扑控制
• 2.1.1.1 基于坐标的拓扑控制协议
• 2.1.1.2 基于互通的拓扑控制协议
• 2.1.2 独立的睡醒协议
• 2.1.2.1 基于要求的睡醒协议
• 2.1.2.2 按照约定的睡醒协议
• 2.1.2.3 异步睡醒协议
• 2.2 基于数据驱动的节能策略
• 2.2.1 数据减少策略
• 2.2.1.1 随机特征数据预测
• 2.2.1.2 时间序列数据预测
• 2.2.1.3 算术方法数据预测
• 2.2.2 高能效数据采集策略
• 2.2.2.1 自适应采样
• 2.2.2.2 分层采样
• 2.2.2.3 基于模型的活动采样
• 2.3 基于移动性的节能策略
• 2.3.1 MS策略
• 2.3.2 MR策略
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器网络的MAC协议
• 3.1 基于竞争的MAC协议
• 3.1.1 IEEE802.11MAC协议
• 3.1.2 SMAC协议
• 3.1.3 TMAC
• 3.2 基于TDMA机制的MAC协议
• 3.2.1 基于分簇网络的MAC协议
• 3.2.2 DEANA协议
• 3.2.3 DMAC协议
• 3.3 其他类型的MAC协议
• 3.3.1 SMACS/EAR协议
• 3.3.2 基于CDMA方式的信道分配协议
• 3.4 本章小结
• 第四章 改进的PMAC协议
• 4.1 PMAC协议
• 4.1.1 节点产生睡醒模式的过程
• 4.1.2 邻居间睡醒模式交换
• 4.1.3 睡醒时间表产生规则
• 4.1.4 PMAC节能分析
• 4.2 PETF阶段睡醒模式交换机制的设计
• 4.2.1 Tdma-MAC协议数据传输机制
• 4.2.2 PETF阶段睡醒模式交换机制
• 4.3 PRTF阶段数据传输机制的细化
• 4.4 改进的同步机制
• 4.4.1 PMAC协议规定的同步机制
• 4.4.2 改进的同步机制
• 4.5 PETF阶段和SYNC阶段的合并
• 4.6 超时机制的加入
• 4.6.1 加入超时机制的节能分析
• 4.6.2 TMAC协议超时机制详细分析
• 4.6.3 PMAC协议超时机制详细分析
• 4.7 仿真分析
• 4.7.1 NS2仿真环境
• 4.7.1.1 NS2仿真工具简介
• 4.7.1.2 NS2中的无线节点
• 4.7.2 仿真结果及性能分析
• 4.7.2.1 仿真参数
• 4.7.2.2 仿真场景与结果
• 4.8 本章小结
• 第五章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文