无线传感器网络MAC协议同步机制性能分析

摘要

作为无线传感器网络MAC协议中的里程碑式成果,SMAC协议所引入的周期性侦听/睡眠调度思想在提供了基本QoS(服务质量)的同时极大程度上地避免了节点因空闲侦听而浪费能量,因而显著地提升了网络的能量效率。SMAC自问世以来受到了工业界和学术界的广泛关注:用于工业应用的802.15.4ZigBee协议充分吸收了SMAC中的节点调度思想;而学术界针对SMAC的性能分析和协议改进的研究成果层出不穷。
　　在对SMAC协议的研究过程中,研究人员往往为了适应特定的应用环境要求而对该协议进行相应的修改,例如紧急事件信息传送和移动环境等。近几年来,研究人员指出SMAC存在网络同步设计上的内在缺陷,即边界节点问题。该问题会导致某些传感器节点过早地耗尽能量而死亡,因此较为严重地影响网络使用寿命。产生边界问题的原因在于SMAC所采用的自组织同步机制,部分节点会保持多个睡眠调度并因此加倍消耗能量。
　　为此,研究人员提出了全局一致睡眠调度的概念,也即一致同步机制。网络中所有节点使用同样的睡眠调度,可以使网络的能量消耗分布更加均匀,并且直接避免了部分节点成为网络使用寿命瓶颈。SMACL就是使用一致同步机制的协议中具有代表性的作品,其实验结果表明,边界节点的寿命可以提高80％以上。然而,经过我们的分析,SMACL依然具有设计上的漏洞,在实现一致同步的过程中可能会出现同步失败的结果。即使加以改进,其性能表现在稳定性、同步效率、能量开销和对节点缓存容量要求这四个方面仍有待提高。
　　针对上述情况,本文在分析和指出SMACL的不足之处的同时,提出了一种高效率地无线传感器网络一致同步机制。该方法采用了中继的思想,充分挖掘Sink节点的管理和协调功能,利用Sink节点作为网络同步的发起者,逐跳地将调度信息通过同步包传送至全网络。这种高效率地一致同步机制,同时也整合了当前无线网络性能分析模型中的关键内容和结论。相关的数学分析证明,本文提出的方法较之SMACL在同步效率和能量开销方面有着明显的优越性。
　　进一步地,本文进行了多跳可扩展拓扑结构和节点随机分布的大规模网络拓扑结构的仿真实验,针对同步限时、网络节点平均寿命、最先死亡节点寿命和网络延时多个性能参数对比研究了不同的网络同步机制的性能,验证了本文所用方法在解决边界节点问题上的有效性和因此带来的网络能量效率提升。

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1 绪论

2 国内外相关研究情况

2.1 概述

2.2 基于自组织睡眠调度的SMAC协议

3 一致同步机制的性能分析

3.3 SMACL的缺陷与不足

3.4 本章小结

4 高效率的一致同步MAC协议

4.3 同步机制的性能对比

5 仿真实验结果及结果分析

5.1 仿真实验的参数设置

5.2 仿真实验的场景设置

5.4 随机节点分布的大规模网络仿真结果

6 结论与展望

致谢

参考文献