传感器网络中基于前缀包编码的低功耗MAC协议的设计与实现

摘要

随着物联网的发展，无线传感网络的能耗问题越来越重要，因为能量是影响传感网在现实场景中能否应用的重要因素。射频通信是无线传感节点中最耗能的部分，过去几年，为了提升射频通信的能耗效率提出了很多低功耗MAC协议。在这些低功耗MAC协议中，前缀包大部分是用来唤醒接收端节点的，然而，这些前缀包的数据传输能力并没有被利用起来。本文中，提出了COPE，通过对前缀包进行网络编码，充分利用了前缀包的数据传输能力。COPE有两个重要的特点，首先，被动接收端集合选择的方式不会带来任何多余的通讯开销，而且可以决定是否接收串听到的数据包;其次，COPE支持多种路由原语，比如单播或者广播，它在低功耗链路层（第2层）与网络层（第3层）之间，相当于位于第2.5层。
　　本文主要贡献包括如下三个部分:
　　(1)在无线低功耗网络中首次研究并充分利用了前缀包来进行数据传输，在前缀包检测接收端节点的同时传输数据包。与传统的方法相比，减少了数据传输的时间，从而提高了系统的能量利用效率。
　　(2)本文提出了一种新型的前缀包编码设计，COPE。COPE有两个重要特征:①对于系统来说，没有多余的通讯开销;②COPE是一个通用的2.5层协议，支持三种常见的路由原语。
　　(3)本文实现了COPE，并在无线低功耗网络中设置了不同的网络环境来测试COPE的性能。然后进一步提出了分析模型来帮助分析COPE的性能。结果显示，相对基于前缀包的传统低能耗方法，COPE显著的提高了能量的利用效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究动机及意义

1．3 研究内容

1．4 论文组织结构

1．5 本章小结

第2章 相关工作

2．1 传感网中现有MAC协议

2．2 传感网中现有路由协议

2．3 传感网中网络编码

2．4 本章小结

第3章 面向单播的设计与实现

3．1 概述

3．2 面向单播的设计

3．2．1 现有MAC协议的单播性能分析

3．2．2 面向单播的设计

3．3 面向单播的实现

3．3．1 传感器节点类型

3．3．2 TinyOS编程模型

3．3．3 单播的实现

3．4 本章小结

第4章 面向广播的设计与实现

4．1 概述

4．2 面向广播的设计

4．2．1 现有MAC协议广播性能分析

4．2．2 面向广播的设计

4．3 面向广播的实现

4．4 本章小结

第5章 性能分析模型与实验结果

5．1 概述

5．2 单播与广播性能建模分析

5．2．1 单播性能建模分析

5．2．2 广播性能建模分析

5．3 模型分析结果

5．4 测试平台实验及实验结果

5．4．1 实现及通讯开销

5．4．2 小型网络实验

5．4．3 系统集成实验

5．5 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢