M2M网络中混合节能MAC算法的研究

摘要

随着科学技术的发展，越来越多的设备具有了通信和连网能力，网络一切(Network Everything)逐步变为现实。在这样一种环境之下，机器到机器通信(Machine-to-Machine Communication，M2M)应运而生。M2M是一种通信理念，是通过机器之间建立连接并使得信息交流扩展到日常生活，是无人工干预的无线设备之间的通信。作为物联网的基本推动者，M2M发展迅速，预计在不久的将来，M2M设备的数量将非常大。
　　M2M网络部署的地理范围比传统的手机网络更为广泛，在单位面积内，M2M网络终端可能有“海量”的存在。M2M网络最大问题就是能量有限。在大多数情况下，节点设备是电池驱动的，频繁的更换电池或者充电将会非常昂贵。为了节约成本，降低能耗是必要的，这样电池的寿命可以增加，网络可以长时间的运行。在节点硬件结构中，无线收发功率占设备能耗的主要部分。MAC协议控制无线收发机制的行为，直接影响设备的能耗大小，MAC协议的能耗表现决定了节点的生存时间。因此，改进已有的算法，研究出节能的MAC算法很有意义。
　　首先，本文阐述了M2M通信网络的研究背景，研究现状，介绍了其作为接入技术在物联网中的应用。同时指出M2M面临的严重问题，在国内目前尚未形成统一的M2M技术标准规范。其次，详细介绍了一些在其它环境使用的节能MAC算法，对其技术特点，适应环境进行了分析比较。接着详细阐述三种基本协议的工作原理，对于不同算法的思想进行分析，总结对比各种经典算法的数据包延迟，能耗和系统吞吐量的性能，分析说明三种协议存在的优点和缺点。在上述研究的基础上，本文提出一种混合的MAC节能算法。这个算法的主要思想是，通过分簇的方案降低节点的传输功率，时隙以预约的方式分配避免碰撞，并引入睡眠机制降低空闲侦听的时间。经过MATLAB软件仿真实验证明，改进的算法降低了网络中大部分节点能量的消耗，实现了网络总能耗的降低，延长了网络的生命时间，而系统的延迟与吞吐量性能下降。最后，对本文的工作进行了总结与展望，指出了需要改进的部分和下一步的研究方向。算法的结构流程设计和实验结果对于算法在实际的应用有借鉴和指导价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 论文的选题背景

1．2 论文的研究目标与方法

1．3 论文的研究场景

1．4 论文组织结构

2 背景知识

2．1 M2M基本知识

2．1．1 M2M应用环境

2．1．2 M2M研究背景

2．1．3 M2M技术的概念

2．1．4 M2M业务碰到的主要问题

2．1．5 M2M系统结构

2．2 MAC协议的功能

2．2．1 MAC层主要的功能

2．2．2 信息传输方式

2．2．3 MAC协议设计面临的问题

2．3 无线传感器网络

2．3．1 基于竞争的协议(Contention-based Protocols)

2．3．2 基于非竞争的协议(Contention-free Protocols)

2．4 IEEE 802．15．4e MAC协议

2．4．1 节点设备

2．4．2 拓扑与组网

2．5 低功耗Wi-Fi(Low-power Wi-Fi)

2．6 小结

3 MAC算法性能分析

3．1 算法性能指标

3．1．1 延迟

3．1．2 功耗

3．1．3 吞吐量

3．2 几种经典MAC算法的性能比较

3．2．1 Static TDMA协议

3．2．2 CSMA协议

3．2．3 Dynamic TDMA协议

3．3 小结

4 改进节能MAC算法

4．1 分簇(Clustering)

4．1．1 分簇大小

4．1．2 簇头选择

4．2 帧组成

4．3 CSMA协议的节能改进

4．4 改进节能协议的基本工作流程

5 算法仿真模拟

5．1 网络结构

5．2 信号模型

5．3 无线环境参数

5．4 仿真模块

5．4．1 数据发生器

5．4．2 静态TDMA

5．4．3 CSMA模块

5．4．4 动态TDMA模块

5．4．5 分簇模块

5．5 仿真结果

5．5．1 延迟分析

5．5．2 吞吐量分析

5．5．3 能耗分析

6 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历

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