高可靠无线传感器网络异步广播MAC协议的设计

摘要

无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内的大量节点通过无线传输形成的多跳自组织网络，用来采集、处理和传输感知信息。WSN的可靠性依赖于节点的可靠性，负载不均衡导致部分节点能量迅速耗竭，使得部分节点提前死亡，导致传感器网络的可靠性大大降低。尤其是在广播模式下，异步低占空比带来的节点唤醒不同步，引起广播的冗余传输，能耗较高。
　　高效多跳异步广播协议(EMBA)是为了使异步占空比WSN支持多跳广播而提出的广播协议。本论文在分析了异步WSN广播的特点及EMBA协议不足的基础上，设计了旨在减少广播转发比和平衡网络负载的广播协议(HR-MM)，协议基于接收到的唤醒消息的内容动态地调度消息转发，同时采用剩余节点能量感知和链路质量的加权值作为转发选择的依据，将消息序列号嵌入到广播消息中，每个节点根据广播消息的序列号记录广播进度，并判定是否转发广播消息，一定程度上降低了广播转发的比例和跳数，并且延长了网络的寿命，降低了节点的平均能耗，提高了网络的可靠性。
　　论文将HR-MM协议在NS2平台进行测试，并与高性能的EMBA协议进行比较。测试结果显示:在网络规模不断增加时，HR-MM协议提升了不少于17.3％的网络寿命，同时降低了8.6％的广播转发比;在占空比不断变低时，HR-MM协议提升了不少于19.4％的网络寿命，同时降低了9.8％的广播转发比，满足设计指标。本文设计的改进型广播协议适用异步占空比无线传感网络，具有一定的工程应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的背景与研究意义

1．1．1 WSN的特征

1．1．2 WSN的协议栈

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容和设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文的主要内容与结构

第二章 无线传感器网络MAC协议的研究概述

2．1 无线传感器网络的体系结构和研究内容

2．1．1 WSN的网络架构

2．1．2 WSN的节点架构

2．1．3 WSN的研究内容

2．2 WSN MAC协议研究的关键技术

2．2．1 同步MAC技术

2．2．2 异步MAC技术

2．3 异步占空比网络广播协议存在的问题

2．4 本章小结

第三章 改进型高可靠HR-MM广播协议的设计

3．1 异步占空比条件下广播问题的分析

3．2 现有广播协议及其分析

3．2．1 泛洪和随机转发协议

3．2．2 ADB协议

3．2．3 EMBA协议

3．2．4 现有协议所面临问题的分析

3．3 改进型高可靠HR-MM广播协议的设计

3．3．1 网络建模

3．3．2 网络延迟和转发数的平衡算法

3．3．3 对EMBA协议能量空洞问题的改进

3．3．4 带有时延的转发

3．3．5 调度表更换

3．4 本章小结

第四章 HR-MM广播协议在NS2平台上的设计

4．1 HR-MM协议的框架

4．2 HR-MM协议的核心数据结构

4．2．1 MAC帧结构

4．2．2 创建邻节点集合和广播消息ID号

4．2．3 Beacon帧结构

4．2．4 MAC层状态以及状态机

4．3 HR-MM协议实施方案

4．3．1 Beacon消息的处理

4．3．2 广播消息处理

4．3．3 链路质量和剩余能量的平衡

4．3．4 延迟转发机制

4．4 本章小结

第五章 HR-MM广播协议的仿真以及结果分析

5．1 无线网络Trace文件与AWK脚本

5．1．1 Trace文件

5．1．2 AWK脚本

5．2 仿真参数的设置

5．3 Mesh拓扑下协议性能分析

5．3．1 对网络规模变化的可扩展性

5．3．2 对占空比变化的适应性

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的成果