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《广东工业大学》 2019年
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面向可变负载的无线传感器网络低能耗MAC协议研究与设计

余艳萍  
【摘要】:无线传感器网络的媒体访问控制负责传感器节点分配无线通信信道的使用方式,实现对通信资源的高效分配,对无线传感器网络各方面性能十分重要。在实际应用中,MAC协议在设计上存在两点主要的挑战:1)网络中的传感器节点具有有限能量且多被部署在复杂环境中,当某个或多个节点能量消耗殆尽,将无法维持数据收发任务,从而对网络整体性能造成影响;2)随着网络工作的进行,某一时刻负载量可能出现增多或减少变化,如节点耗尽能量出现突然死亡造成拓扑结构变动或由外界触发了突发事件等都将对网络负载造成影响。节点组成模块中耗能最多的就是射频模块,射频模块受MAC协议控制,因此设计一个自适应可变负载且低能耗的无线传感器网络MAC协议是十分必要的。本文综合考虑能耗性、与网络中负载可变的特点,对MAC协议进行研究与改进,主要分为三个研究内容:1)对WSN中现有的MAC协议进行调研与分析,引出自适应与低能耗MAC协议设计上的相关性能需求与挑战;2)在RI-MAC协议的基础上,对该协议采用的二进制指数退避机制的缺点进行改进,本文提出一种基于自适应退避机制的BA-MAC协议,协议中采用基于BPCRB算法的退避机制,通过引入数据传输成功下的发送变化率与传输失败下的冲突变化率两个参数变来对网络无线通信信道与网络负载情况进行判定,使退避机制的自适应性得到了提高;3)针对PW-MAC协议节点的唤醒间隔固定的缺陷,本文设计出一种新的LELP-MAC协议,引入节点缓存队列区内数据包等级总和来对网络中的负载进行描述,同时在节点唤醒时间可预测的前提下,增加了基于Backcast的重传机制来实现在多个节点碰撞产生后对数据进行快速有效的重传。本文是面向负载实时变化的网络,基于自适应能力与低能耗两个基本性能对MAC协议展开研究与设计,通过大量的仿真对比实验验证了改进后的BA-MAC协议与LELP-MAC协议在性能上都有显著的提高,能在更好地自适应网络负载的同时,还有效地降低了节点的能量消耗。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP212.9;TN929.5

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