矿井无线传感器网络高效MAC协议研究

摘要

无线传感器网络技术应用于矿井安全监控是当前研究的热点之一。由于矿山井下特殊的巷道环境和节点的移动性,现有的无线传感器网络MAC协议无法达到井下网络的最优性能。本文根据矿井特殊巷道应用环境的特征,研究井下无线传感器网络MAC层协议,对矿山井下通信场景中的时间和空间信息进行优化。并建立发送节点退避状态转换模型对退避关键性能参数进行理论分析与设置,以提高井下无线传感器网络的能量效率和通信的可靠性。本文所做的工作如下:
　　1、分析矿山井下无线传感器网络应用环境的特征,在此基础上构建矿山井下无线传感器网络。结合网络结构特征选择基于IEEE802.15.4的Zigbee协议作为井下无线传感器网络的通信协议。
　　2、分析矿山井下无线传感器网络MAC协议设计的限制与要求。针对矿山井下特殊巷道容迟移动无线传感器网络环境特征,在EQ-MAC协议基础上提出一种预测接收节点发起传输时间的MAC协议,从而减少发送节点空闲侦听时间。并引入短竞争报文机制避免接收节点处数据包冲突,减少数据包传输失败和重传带来的能量浪费。
　　3、依据马尔可夫过程分析节点退避状态及状态之间的转换规律,并建立基于改进后的EQ-MAC协议发送节点退避状态模型。据此对退避关键性能参数进行理论分析,使节点能根据退避状态估计出的信道使用率和自身的剩余能量,自适应地改变退避窗口大小以避免冲突,提高能量效率和可靠性。
　　最后用MATLAB对改进后的EQ-MAC协议进行性能仿真分析,用仿真结果和理论分析结果相结合说明提出的MAC协议能较好的满足井下无线传感器网络环境对数据通信和监控可靠性的要求,竞争报文退避传输机制能有效降低接收节点处数据包传输冲突概率。

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第一章 绪论

1.1本课题的研究背景及意义

1.2该课题在国内外的概况

1.3本文主要研究内容及章节安排

第二章 井下无线网络环境与网络结构分析

2.1井下无线传感器网络应用环境分析

2.3井下无线传感器网络通信协议选择

2.4 监控系统软件功能结构

2.5本章小结

3.1井下无线传感器网络MAC协议设计限制分析

3.2井下网络环境对MAC协议设计要求分析

3.3无线传感器网络EQ-MAC协议

3.4基于井下环境特征对EQ-MAC协议进一步改进

3.5 本章小结

第四章 基于改进的EQ-MAC退避模型分析

4.1 IEEE 802.15.4 MAC层中的CSMA/CA接入机制

4.2节点退避模型的建立

4.3退避模型主要性能参数分析

4.4基于节点剩余能量的优先级管理策略

4.5本章小结

第五章 改进后EQ-MAC协议传输性能分析

5.1 MAC层传输性能分析模型

5.2仿真分析

5.3本章小结

第六章 总结与前景展望

6.1全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况