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无线传感器网络MAC层协议研究与设计

危文金  
【摘要】: 集成了传感器技术、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种新兴的信息获取技术,可广泛应用于工农业控制、生物医疗、环境检测等诸多领域。MAC层协议决定无线信道的使用方式,是保障无限传感器网络高效通信的关键支撑协议之一,对无限传感器网络的性能有着极大的影响。因此针对MAC层协议的研究是相当普遍的,而且具有非常重要的意义。 无线传感器网络节点数量大、单个节点能量极其有限,在设计MAC协议时有效节约能量,延长网络生命周期成为首要目标。本文从低能耗、高吞吐率和低延时的角度研究无线传感器网络MAC层协议。本文首先分析了无线传感器网络发展现状、体系结构、协议栈及其独有的特征,然后给出了MAC层的能量消耗的主要原因与性能指标,分析和比较了国外提出的几种无线传感器网络MAC协议,并借鉴其中的优秀思想,针对网络负载较高的应用,提出了一种基于竞争和时分复用混合的高吞吐率、低延时、可扩展的MAC协议—PR-MAC(Path Reservation-MAC)。 PR-MAC提出了基本长度和倍增长度的异步帧结构(即调度周期),节点根据自己的局部密度选择实际工作的时帧长度(为基本帧长的整数倍)。时帧结构被划分成时隙预约阶段和数据传输阶段,在时隙预约阶段提出了一种根据时隙优先级的时隙选择模型,各节点以竞争方式预约时隙,提供了很好的可扩展性。在数据传输阶段节点能够无冲突地进行数据传输,有效降低节点的空闲监听和状态转换。通过网络的异步帧配置,有效减少了高负载下节点汇报冲突概率,提高信道利用率,减小无谓能耗。针对PR-MAC协议,本文提出了一个能耗分析模型,从理论上对协议的能耗进行分析。为了避免单包数据在转发路径上间歇传递带来的延时,PR-MAC协议提出了一种多跳路径预约机制,利用捎带机制连续进行多个时隙预约,使数据在转发链路上可连续转发多跳。通过NS2仿真结果表明,基于异步帧结构的PR-MAC协议在高负载情况下,具有比S-MAC和T-MAC更高的吞吐量、更低的延时和能量消耗。


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