无线传感器网络S-MAC协议的改进和仿真

摘要

无线传感器网络是一个综合性的跨学科的新兴研究领域，在外层空间探索、军事监控、环境监测、卫生医疗等方面都具有较好的应用前景。在无线传感器网络中，传感器节点采用电池供电，而且电池很难更换，具有能量受限的特点，从而延长网络寿命显得尤为重要。而媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）协议位于无线传感器网络协议栈的底层，主要功能是控制节点对共享通信介质的访问，对能耗、吞吐量以及时延等性能有较大影响。S-MAC协议作为无线传感器网络中最基本的MAC协议，具有能耗低、扩展性高等很多优点，应用十分广泛，但是S-MAC协议仍存在许多不足：在网络负载变化较大时存在能耗和时延的矛盾；采用的BEB退避算法在节点冲突后的退避过程中容易产生捕获效应，吞吐量和公平性较差；没有考虑网络的负载均衡问题。本文针对S-MAC协议的上述问题，对S-MAC协议进行理论分析和数学推导。
　　首先，推导分析S-MAC协议周期性侦听/睡眠机制下的平均时延，推得当传感器网络负载变化时，传输时延变大或出现较多空闲侦听，分析参考D-MAC（Data-gathering MAC）和DS-MAC（Dynamic Sensor MAC protocol）协议的侦听/睡眠调整机制，利用节点的队列发送率来计算占空比的调整幅度以适应负载的变化，减少空闲侦听和降低传输时延。其次，使用马尔可夫链模型分析S-MAC协议的退避机制，推得针对特定节点数的无线传感器网络，只要保持合适的竞争窗口 CW，就会使传感器网络的吞吐量和公平性有较好的表现，分析MIMLD（Multiplicative Increase Multiplicative Decrease and Linear Decrease）算法在Ad Hoc自组网中的应用，将该算法应用到无线传感器网络中，并利用Cali提出的估测最大吞吐量竞争窗口值的算法计算MIMLD算法中区分无线信道竞争程度的阈值，以减少网络负载变化时分组碰撞带来的重传，降低传输时延。再次，从延长网络寿命的目的出发，限制不同能量节点退避时间（backoff time）的取值范围，平衡节点负载，以避免一些节点较早耗尽能量影响传感器网络寿命。最后，综合上述对S-MAC协议的研究分析，本文提出了基于负载均衡的流量自适应动态退避S-MAC协议（AdaptiveDuty Cycleand Dynamic BackoffSMACbased on Load Balance，ADBS-MAC），ADBS-MAC协议能够更好的适应网络负载变化，提高无线传感器网络吞吐量，有效避免节点间的冲突，降低能耗和传输时延，延长无线传感器网络寿命，同时信道的公平性也有所改善。
　　使用NS2仿真平台对ADBS-MAC协议和S-MAC协议建模仿真，分析对比仿真实验产生数据可得，ADBS-MAC协议对S-MAC协议在上述三方面的改进不仅有效降低了能耗，而且在吞吐量、时延等网络性能方面也有良好的表现。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 论文组织结构

第2章 无线传感器网络S-MAC协议的研究分析

2.1 无线传感器网络概述

2.2 无线传感器网络MAC协议分析

2.3 S-MAC协议概述

2.4 S-MAC协议关键技术

2.5 S-MAC协议存在的问题

2.6 本章小结

第3章 基于负载均衡的流量自适应动态退避S-MAC协议

3.1 固定侦听/睡眠机制改进方法

3.2 退避算法改进方法

3.3均衡负载的改进方法

3.4 ADBS-MAC协议

3.5本章小结

第4章 ADBS-MAC协议在NS2平台上的仿真

4.1实验目的和性能指标

4.2实验环境

4.3 NS2概述

4.4实验过程

4.5实验结果分析

4.6本章小结

结论

参考文献

致谢