基于优先级和休眠机制的无线体域网MAC协议的能效优化

摘要

无线体域网是新一代的无线网络，在医疗、救援、军事等领域有着非常广泛的应用前景，它的主要组成单元为传感器节点，负责数据信息的采集、处理和传输。传感器节点通常是由电池供电，能量十分有限，因此，降低传感器节点的能量消耗，延长生存周期对无线体域网就显得非常关键。在无线体域网中，媒体访问控制(Media Access Control，MAC)协议决定着传感器节点使用无线信道的方式，为传感器节点分配有限的无线信道资源，对无线体域网的性能有着重要的影响。因此，研究设计低能耗的MAC协议，对提高无线体域网的性能有着非常现实的意义，本文将分别从设置优先级和休眠机制两个角度对无线体域网中的MAC协议进行优化。
　　本文首先介绍了无线体域网的研究背景和关键技术，分析了无线体域网MAC协议的研究现状和设计MAC协议的原则，并重点介绍了基于Wake Up Radio的MAC协议，该协议采用在传感器节点上附加一个低能耗的唤醒模块来控制节点的休眠与激活。进而，本文通过对业务类型、传感器节点设置优先级以及简化紧急业务数据传输流程等方式，对基于Wake Up Radio的MAC协议进行了优化，优化后的MAC协议在降低无线体域网的能量消耗方面取得了不错的效果，提高了无线体域网的能效性。其次针对现有无线体域网MAC协议设计中普遍采用的传统休眠进行了优化。构建了马尔科夫链随机模型，引入了能耗和时延代价矩阵，通过采用线性规划的方法解决了有约束条件的最优化问题，进而得到了使得能耗取得最小值的最优决策。根据最优决策来决定传感器节点在下一时刻进入休眠或者激活状态，避免节点在激活和休眠状态之间频繁转换所带来的能量消耗，进而达到了降低传感器节点的能量消耗，延长节点的电池使用寿命，提高无线体域网整体网络性能的目的。最后总结了无线体域网MAC协议的研究现状，提出了进一步工作的展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 无线体域网(WBAN)的应用及研究现状

1．2．1 无线体域网(W-BAN)的应用

1．2．2 无线体域网(WBAN)的研究现状

1．3 无线体域网(WBAN)研究的目的及意义

1．4 本文研究内容和组织结构

2 无线体域网概述

2．1 无线体域网的结构

2．2 无线体域网的特点

2．3 无线体域网的关键技术

3 基于优先级的Wake Up Radio的MAC协议优化

3．1 无线体域网中MAC协议研究现状

3．2 基于Wake Up Radio的MAC协议模型

3．2．1 设计思路

3．2．2 系统模型

3．2．3 模型分析

3．3 基于优先级的Wake Up Radio的MAC协议优化

3．3．1 优化思路

3．3．2 优化方法

3．4 仿真分析

3．4．1 仿真环境

3．4．2 仿真结果分析

3．5 本章小结

4 无线体域网中休眠机制的能效优化

4．1 能效优化的背景

4．2 能效优化的马尔科夫链模型

4．3 代价矩阵

4．4 策略选择

4．5 线性规划

4．6 本章小结

5 结论

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

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