无线传感器网络中功率控制机制的研究

摘要

无线传感器网络是由大量低功耗、低代价、相互协作的节点组成，采用无基础设旌对等式通信方式进行分布式管理的网络，是一种自创造、自组织和自管理网络。节点体积小、由电能有限的电池供电、相邻节点共享无线信道的特性决定了能量和带宽是无线传感器网络中的稀有资源。经研究表明，功率控制是减少能耗的有效手段之一。 本文研究的主要目的体现在两个方面：一是将功率控制机制应用于无线自组网的MAC协议，分析功率控制与能量消耗的关系；二是将休眠机制应用于IEEE.802.15.4MAC协议，分析休眠机制与能量消耗的关系。研究工作分为四个部分： 1)影响节点发送功率的主要因素是节点间的距离，根据节点间的距离，有效的控制节点的发送功率，可以提高网络性能。 2)为了研究功率控制对网络能耗带来的影响，以NS2仿真为手段对基于IEEE802.11标准的三种MAC协议进行仿真。仿真结果表明：具有功率控制机制的BASIC协议在网络吞吐量和能耗方面的性能优于802.11MAC协议，由于PCM协议结合了802.11MAC和BASIC协议的优点，使用了功率控制和数据传送过程中的冲突避免机制，它的性能最优。 3)对基于IEEE802.15.4标准的MAC协议进行了性能分析，并使用NS2对802.15.4MAC协议进行仿真研究，仿真结果表明：在低速条件下，随着数据包发送速率的提高，网络的吞吐量、网络能耗随之增加。发送速率是影响网络性能的一个重要指标。 4)由于无线传感器网络中的节点大部分时间处于空闲状态，空闲侦听与信息接收消耗的能量基本相当。在IEEE802.15.4MAC协议的基础上进行改进，将休眠机制应用于MAC协议：在没有数据传送时，让节点进入休眠状态；当有数据发送、接收邻节点数据或协调器发送的Beacon帧时被唤醒。这样可以减少节点在空闲侦听期间的能耗，进一步节约节点的能耗，延长节点寿命。仿真结果与理论分析一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1功率控制机制研究的背景和意义

1.2无线传感器网络的特征

1.3无线传感器网络的应用

1.4无线传感器网络的体系结构

1.4.1无线传感器网络的结构

1.4.2节点的结构

1.4.3无线传感器网络通信体系结构

1.4.4无线传感器网络的拓扑结构

1.5无线传感器网络研究的关键技术

1.6相关的路由协议

1.6.1 DSDV 协议

1.6.2 AODV协议

1.7论文的结构安排

2无线自组网中的功率控制机制

2.1网络层的功率控制

2.2链路层功率控制机制

2.3混合功率控制机制

2.4性能分析和比较

3基于IEEE802.11标准的MAC协议

3.1无线网络的MAC协议研究的关键技术

3.1.1隐藏终端和暴露终端问题

3.1.2 MAC协议的公平接入

3.1.3 MAC协议中的功率控制

3.2 IEEE802.11MAC协议

3.2.1 802.11的DCF

3.2.2具有功率控制机制的802.11DCF协议

3.3三种MAC协议的模型分析

3.3.1 IEEE802.11协议的冲突分析模型

3.3.2 BASIC协议的冲突分析模型

3.3.3 PCM协议的冲突分析

3.4仿真实现及结果分析

3.4.1 NS2简介

3.4.2设置场景

3.4.3吞吐率比较

3.4.4能量消耗

3.5小结

4无线传感器网络的MAC协议

4.1 IEEE802.15.4标准概述

4.2 IEEE802.15.4网络协议栈

4.2.1物理层

4.2.2 MAC层

4.3 S-MAC协议

4.3.1基本思想

4.3.2 S-MAC协议设计

4.3.3小结

4.4仿真分析

4.4.1仿真过程

4.4.2网络性能

4.4.3能量效率

4.5小结

5具有休眠机制IEEE802.15.4MAC协议

5.1基本思想

5.2算法实现

5.2.1设置休眠状态能耗函数

5.2.2设置唤醒计时器

5.2.3添加休眠能量模型

5.3仿真实现

5.3.1设置场景

5.3.2结果分析

6结论

参考文献

致谢

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