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无线网络中新型MAC协议的设计

王桂娟  
【摘要】:近年来,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)以低成本、自组织、动态拓扑、多跳路由等特点,成为许多重要应用中的首选解决方案,例如:入侵检测、目标跟踪,实现工业自动化等等。在无线传感器网络中,节点之间的通信方式影响着整个网络的性能。在很多情况下,由于节点的能量不可补充,能量有效性成为通信过程中考虑的主要因素。除此之外,延迟、丢包、冲突碰撞、干扰等因素也影响着整个网络的性能。而媒体介入控制(Medium Access Control,MAC)层负责协调节点进入共享无线介质的方式,为了在WSN中以一种能量有效的方式进行高吞吐量的通信,设计一个高效的MAC协议是非常重要的。大部分的MAC协议采用占空比机制来减少由于空闲监听而造成的能量消耗。但是,异步MAC协议在传输数据包时,需要等待下一跳从睡眠状态中唤醒,所以周期性的睡眠唤醒机制会引起端到端的传输延迟。为此MAC协议中提出了许多减小延迟的机制,但是大多数机制是针对低负载链路提出的,忽略了链路的动态变化性。此外,为了避免冲突,大多数的无线传感器网络采用载波监听多路访问冲突避免的机制,该机制带来了隐藏终端和暴露终端的问题。隐藏终端带来了数据传输的冲突碰撞问题,增大了网络的延迟。暴露终端问题减少了数据并行传输的机会,降低了信道的利用率。大多数的研究往往基于请求发送/应答发送(Request to Send/Clear to Send,RTS/CTS)握手机制或者是功率控制机制来解决单个问题,而不是将这两个问题同时解决。为解决上述问题,本文集中研究无线传感器网络中的MAC协议。本文分为5章。第1章介绍了研究的背景、意义与研究现状。第2章对当前已经提出的MAC协议进行了分类与总结,并对经典的MAC协议做了对比与分析。第3章给出了一个低延迟且能量有效的按需睡眠(Demand Sleep)MAC协议DS-MAC。在该协议中节点能够根据接收到的数据量自适应的调整睡眠时间。因此节点无论在高负载或者是低负载链路中,都能够及时的接收或者发送数据,从而减少了等待延迟和丢包率。DS-MAC通过在确认包中加入了对节点预测的睡眠时间,达到了同步的效果。这使得节点在下一次传输数据时,能够仅在目标节点唤醒前的一小段时间内唤醒,从而节省了能量,延长了网络的寿命。第4章给出了利用速率自适应机制,功率自适应机制和忙音信号机制同时解决隐藏终端和暴露终端问题的MAC协议。该协议采用了双信道的通信模型,且在RTS/CTS数据包的发送之前,进行忙音信号的发送,避免了RTS/CTS的碰撞丢失,提高了网络通信的稳定性和并行传输能力,确保了暴露终端和隐藏终端问题的同时解决,从而整体的提高了网络的性能。第5章是总结与展望,指明了在MAC协议研究领域内需要进一步解决的问题。


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