一种适用于流量突发的无线传感器网络的MAC协议

摘要

集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，它是一种新型的无基础设施的无线网络，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络是一种新型的应用型网络，具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视无线传感器网络是一种由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个用作信息收集、融合、并发送给观察者的多跳自组织的网络系统。 无线传感器网络中，介质访问控制MAC协议控制着信道的访问接入方式，在无线传感器之间分配有限的通信资源，构建无线传感器网络底层的基础，对无线传感器网络的性能有着极大的影响。因此，针对MAC层协议的研究是相当普遍的，而且具有非常重要的意义。 本文首先分析了无线传感器网络体系结构，协议栈，特点应用等方面，然后阐述了拥塞机制中流量调度问题的相关研究背景，以及现有的一些无线传感器网络MAC协议。最后在S-MAC协议的基础上设计了适用于流量突发的无线传感器网络MAC层协议，并进行了实现。S-MAC协议的提出主要是针对着无线传感器网络的节能以及自组织方面的需求。通过周期性的睡眠来降低占空比，从而达到降低能耗的目的，但是由于S-MAC协议的固定占空比设计问题，而大大的增加了通信延迟。本文对此设计了借鉴与T-MAC协议思想的动态占空比机制，能够适用于网络流量突然发生巨大变化的情况。同时设计了根据流量情况来调整竞争窗口的退避机制，使该协议能够较好的适应纷繁复杂的网络状况。 本文在NS2平台上对本协议以及S-MAC协议进行仿真，并用NS2的组件工具对仿真结果中的延迟，吞吐量，2个结果进行了对比。结果显示，该协议在网络延迟，吞吐量相比S-MAC协议有比较良好的性能改善。 最后，给出了工作过程总结，以及提出了未来需要进一步改善的地方，并进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1项目来源

1.2研究背景

1.3论文组织

第2章基于WSN的MAC协议流量控制介绍

2.1无线传感器网络介绍

2.1.1无线传感器网络体系结构

2.1.2传感器节点结构

2.1.3无线传感器网络通信协议栈

2.1.4无线传感器网络特点以及应用

2.2无线传感器网络MAC协议以及拥塞控制技术研究

2.2.1问题背景以及相关研究

2.2.2现有的MAC层协议分类以及概述

2.2.3链路层节点能耗分析

2.2.4 MAC层功率管理策略

2.2.5拥塞机制概述以及拥塞控制中的流量调度

第3章适用于流量突发的改进S-MAC协议

3.1协议改进设计背景

3.2退避机制改进方案

3.2.1退避机制介绍

3.2.2二进制指数退避算法(Binary Exponential Backoff)，

3.2.3倍数增加线性减少退避算法

3.2.4退避设计方案

3.3占空比机制改进方案

3.3.1 S-MAC延迟分析

3.3.2占空比改进算法分析

3.3.3改进代码阐述

第4章仿真实现与分析

4.1 NS2仿真平台介绍

4.1.1 NS2概要

4.1.2 NS运行环境以及语言，组件支持

4.3 NS2仿真过程

4.3.1协议修改与实现

4.3.2设置场景以及参数

4.3.3 trace文件分析

4.3.4.AWK统计工具

4.3仿真试验以及结果分析

4.3.1仿真网络模型以及参数设置

4.3.2协议延迟分析

4.3.3协议吞吐量分析

第5章总结与展望

5.1工作总结

5.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文