无线传感器网络中MAC协议的研究与优化

 
目录
摘 要 III
ABSTRACT IV
第一章 绪论 1
1.1 无线传感器网络概述 1
1.2 无线传感器网络的研究背景 1
1.2.1 传感器网络发展历程 1
1.2.2 国内外研究现状 2
1.3 无线传感器网络特点及性能评价 3
1.4 无线传感器网络体系结构 6
1.4.1传感器网络体系结构 6
1.4.2传感器节点结构 7
1.4.3 传感器网络协议栈 8
1.5 主要研究内容及论文结构 9
第二章 无线传感器网络中MAC协议分析 11
2.1 无线传感器网络MAC协议分类 11
2.2无线传感器网络MAC协议的设计思想 11
2.3无线传感器网络MAC协议中的能量损耗 12
2.4无线传感器网络MAC协议的关键技术 13
2.4.1休眠机制 13
2.4.2冲突避免和退避机制 14
第三章 一种基于时间槽的MAC协议设计 15
3.1 无线传感器网络现有的主要MAC协议 15
3.1.1 S-MAC协议分析 15
3.1.2 T-MAC协议分析 17
3.1.3 P-MAC协议分析 21
3.2 基于时间槽的SR-MAC协议 22
第四章 仿真测试 29
4.1 仿真器GloMoSim介绍 29
4.1.1 GloMoSim 网络仿真器的特点 30
4.1.2 GloMoSim 中仿真的运行过程 31
4.2 单跳网络环境 32
4.3 多跳网络环境 37
第五章 结论与展望 41
5.1 结论 41
5.2 展望 41
致 谢 语 43
参考文献 44

 
摘 要
无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。由于无线传感器一般依赖电池供电，有效节省能源是无线传感器网络MAC协议设计的首要目标，也是无线传感器网络的重要研究课题之一。
现有竞争型无线传感器网络MAC层协议的主要设计思路是通过牺牲系统性能来换取能量的节省。尽管这样做在一定程度上达到了节能的效果，但是较低的系统性能也会带来一些问题。
本文首先对无线传感器网络的主要特点和组成进行了介绍，给出了无线传感器能量消耗的主要原因。然后详细介绍且对比分析了适用于无线传感器网络的几种MAC协议。并设计出一种新的高能量有效性的MAC协议，即SR-MAC协议。
本文提出的SR-MAC协议结合了基于竞争的机制、基于时间表的机制和基于预约的机制，从而有效地提高了能量使用率，降低了发生冲突碰撞的可能性，并提高了吞吐量。通过在数据帧中添加预约位，传感器节点能够保证存在可以连续传输数据的无冲突碰撞的时间槽。网络负载较小时，SR-MAC协议能够通过将无线通讯模块调到休眠状态来节省能量。一旦网络负载增加，SR-MAC协议能够给连续传输的数据预留无冲突的时间槽。因此可以实现降低冲突的发生，同时提高网络吞吐量。

关键词：无线传感器网络  MAC协议 性能优化
 
ABSTRACT

Wireless Sensor Network (WSN)is a self-organized wireless communication network which is constituted by a large number of low-expense micro sensor nodes that are deployed in application area. The lives of the sensor nodes always depend on their battery power. To save energy efficiently is the first object for the designing of the MAC protocol in WSN, and it is also the one of the most important issues in WSN.
The major ideas of existing contention-based MAC protocols in WSN is to improve energy efficiency by sacrificing the network performance. Although the idea indeed saves the energy, there are some the problems caused by low performance.
This paper firstly introduces the main characters and combinations of the WSN. Then the paper analyses and compares various MAC protocols in WSN. Then a new MAC protocol with high energy efficiency—SR-MAC is designed.
Our SR-MAC protocol combines contention-based, scheduling-based, and reserving-based schemes to achieve energy efficiency, improve network throughput, and decrease collision probability. Based on the reservation bit in the data packet, sensor nodes can preserve collision free slots for continuous transmissions. Therefore, the SR-MAC protocol is an efficient method for managing the battery energy for sensor nodes. When traffic is light, SR-MAC can save additional energy by switching the radio to sleeping mode. In a heavy-traffic scenario, our proposed protocol can reserve collision free slots for continuous transmissions. Thus, collision probability is decreased and network throughput is improved.

Keywords: Wireless Sensor Networks   MAC Protocol    Performance Optimization