面向异构数据的无线体域网节能MAC协议设计

摘要

在无线传感器网络研究中，体域网是当今发展的一大趋势，无论是在远程医疗还是健康监护等领域，都有着广阔的市场前景。无线体域网（WBAN，wireless Body Area network）是由一系列低功耗、微型化、轻量级、可置于人体表面的或植入人体内、可提供实时数据、具备无线通信能力的传感器节点组成的网络。在医疗、体育、国防和娱乐等领域具有非常好的应用前景。WBAN与我们传统的传感网有较大差异。WBAN的传感器节点通常由电池来供能，其能量很是有限，尤其对植入人体内部传感器来说不易更换电池和充电。所以，如何降低节点功耗，延长网络运行时间成为了WBAN首要的目标。在无线体域网中，MAC（Media Access Control，MAC）协议控制传感器节点使用无线信道的方式，为节点分配无线信道资源，对WBAN性能有巨大影响。设计一个节能MAC协议，对提高WBAN性能有巨大的现实意义。
　　本研究介绍了WBAN的研究背景、现状、意义以及当前面临的挑战。解析了WBAN的系统架构、特性及关键技术，总结了WBAN的节能策略。重点对MAC层接入协议进行了分析，分析了引起MAC层能耗的主要原因。对现有的MAC协议进行了分类总结，并对典型的MAC协议进行了剖析和比较。详细阐述了IEEE802.15.4 MAC层协议。在WBAN中传感器产生的不同业务在传输中具有不同的QoS需求。无线体域网传感器节点产生业务具有异构性，根据这些异构数据的特性，提出了一种基于优先级的高能效节能MAC协议。为保证传感器节点产生的紧急数据优先传输，协议将数据分为5个不同的等级。该协议改进了超帧结构，首先在时隙的 CFP阶段引入了一个微时隙，该微时隙是保证紧急数据包的请求以高效的方式发送到协调器。其次，还开发了一个高效的算法来抢占时隙便于优先级高的数据包传输。介绍了该协议的操作流程，优先级退避策略，时隙的分配策略，紧急业务的处理方式及时隙抢占策略等。提出的P-MAC协议在优先级分配、时隙分配和紧急业务的处理等方面进行了改进，满足了无线体域网传感器节点业务传输的要求。借助OMNeT++仿真平台，对所提出的一种基于优先级的 MAC协议进行仿真，选择IEEE802.15.4 MAC协议及学者提出的McMAC协议进行对比。结果表明，本文所提出的一种基于优先级的高能效MAC协议在网络能量消耗、数据传输延时性、协议操作开销和数据发送效率等方面具有一定的优势。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 无线体域网的研究现状

1.3 研究的意义及目的

1.4 本文的主要工作和内容安排

第二章 无线体域网MAC协议概述

2.1 WBAN的系统架构

2.2 无线体域网关键技术

2.3 无线体域网MAC协议节能分析

2.4 IEEE 802.15.4 MAC协议

2.5 本章小结

第三章 一种基于优先级的WBAN节能MAC协议设计

3.1 MAC协议设计背景

3.2 设计思路

3.3 P-MAC协议设计

3.4 性能分析

3.5 本章总结

第四章 协议的仿真与实验验证

4.1 OMNeT++仿真软件简介

4.2 仿真模型建立

4.3 仿真结果

4.4 实验验证

4.5 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 论文总结

5.2 论文展望

参考文献

攻读硕士学位期间的主要成果

致谢