基于预测和反馈的无线传感器网络PF-MAC协议

摘要

本文分析了目前比较流行的基于竞争的无线传感器网络MAC协议如S-MAC及其相关改进协议，其设计的主导思想是通过牺牲公平性和其他网络性能来换取对能量的节省。这样做在网络流量负载较低时可以实现低能耗的设计要求，但不适用于高流量负载或者突发数据流量较大的网络环境中。针对现有基于竞争的MAC协议的缺点和不足，本文提出了一种基于S-MAC新的竞争型无线传感器网络MAC协议—PF-MAC(Prediction and Feedback MAC)。
　　PF-MAC的设计思想主要包括两方面的内容:
　　一是新协议提出了基于预测和反馈的退避算法机制。即发送节点在退避阶段对各个退避时隙内信道的忙闲状况进行侦听，若信道空闲则退避计时器递减直至为0，此时退避成功;若信道忙则冻结退避计时器并将信道占用计数器加1，最后根据随机退避总时隙数和信道占用计数器的值计算出时隙利用率，合理地推测整个网络的拥塞程度，在发送数据分组后根据相应更新规则公式自适应的改变竞争窗口值以适应当前网络负载状况。
　　二是采用了自适应占空比机制。即传感器节点在发送数据分组时对其发送的分组个数进行记录，在一个同步周期(SYNC Period)结束后计算出该周期内数据分组发送速率并根据相应更新规则公式自适应调整占空比，以适应当前网络负载状况。
　　为了验证PF-MAC的有效性，本文使用NS-2网络仿真工具对改进的PF-MAC协议与原SMAC协议、IEEE802.11协议进行模拟仿真，并通过配置不同MAC协议在相同仿真网络环境中表现出来的差异性来进一步说明PF-MAC协议的可行性和优越性。
　　实验表明，PF-MAC协议在数据流量负载变化的网络环境中表现出良好的适应性，可以极大的提高网络整体性能。在数据负载流量相同的情况下，会得到更高的网络吞吐量和较低的传输时延，这在一定程度上能够有效减少能量浪费，延长能量受限的无线传感器网络节点的工作寿命。

目录

摘要

1 绪论

1．1 无线传感器网络概述

1．1．1 无线传感器网络节点及其体系结构

1．1．2 无线传感器网络的特点和关键技术

1．2 课题研究内容与意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的组织结构

2 无线传感器网络中的MAC协议

2．1 无线传感器网络MAC协议概述

2．2 无线传感器网络MAC协议分类

2．2．1 基于预分配的MAC协议

2．2．2 基于竞争的MAC协议

2．2．3 两类MAC协议的分析

2．3 MAC协议节能机制研究和设计要求

2．3．1 MAC层的能量消耗分析

2．3．2 无线传感器网络MAC层的节能机制和设计要求

2．4 本章小结

3 S-MAC协议研究分析与相关改进

3．1 S-MAC协议的基本描述

3．2 S-MAC采用的主要机制

3．2．1 周期性侦听／睡眠机制

3．2．2 冲突和串音避免机制

3．2．3 流量自适应侦听机制

3．2．4 消息传递机制

3．2．5 退避算法机制

3．3 S-MAC协议中存在的问题

3．4 基于S-MAC的相关改进协议与分析

3．4．1 基于调整占空比改进的相关MAC协议

3．4．2 基于退避算法改进的相关MAC协议

3．4．3 其他相关改进的MAC协议

3．5 本章小结

4 基于S-MAC提出的一种优化的竞争型MAC协议——PF-MAC

4．1 PF-MAC协议的设计背景和意义

4．1．1 设计背景

4．1．2 PF-MAC的主要设计思想和目的

4．2 PF-MAC协议提出的退避算法机制

4．2．1 相关工作

4．2．2 新方案中引入的参数

4．2．3 新方案中引入的更新规则

4．2．4 新方案的工作流程

4．3 PF-MAC协议提出的自适应占空比机制

4．3．1 相关工作

4．3．2 新方案描述

4．4 本章小结

5 仿真实验设计与结果分析

5．1 NS-2模拟基础

5．1．1 NS-2网络模拟平台的简介

5．1．2 使用NS-2进行网络模拟的方法和一般过程

5．2 仿真脚本设计与Tcl／OTcl模拟代码的编写

5．2．1 仿真脚本建立步骤

5．2．2 网络模型假设与仿真参数定义

5．2．3 跟踪和演示文件的配置

5．2．4 节点创建与配置

5．2．5 数据流的设定与配置

5．3 实验方案与结果分析

5．3．1 实验方案与操作

5．3．2 仿真结果数据分析

5．3．3 能量有效性分析

5．3．4 网络延迟和丢包率分析

5．3．5 网络吞吐量分析

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

声明