基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络的节能MAC协议研究

【摘要】：在环境数据监测、军事战场监测等众多领域日益增长的应用需求下，无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)成为目前研究的热点。WSN最大特点是节点能量有限且难以补充，因此如何节能、最大限度延长网络生命周期是WSN研究的核心问题。围绕节能问题，业界在电路实现、MAC协议与路由协议设计等方面进行了大量的研究。本文以IEEE802.15.4非信标模式（NonBcn）MAC协议为基础，针对多跳WSN网络和不同的应用环境，进行节能MAC协议的研究。具体设计了一种适合周期性数据收集应用的S-NonBcn协议，并以此为基础，进一步设计了一种适合低频率数据上报兼有突发业务的B-S-NonBcn协议。 IEEE802.15.4非信标模式（NonBcn）没有休眠机制，不能有效节省能耗。本文在NonBcn协议基础上，从减少空闲监听时间和降低冲突两方面降低能耗，设计了适用于周期性数据收集应用的S-NonBcn协议。S-NonBcn协议利用了数据收集的特点，采用交错休眠机制减少了空闲监听时间，并针对交错休眠机制带来的严重冲突问题，设计了冲突解决机制。通过网络仿真软件NS2仿真，验证了S-NonBcn协议比NonBcn协议具有更高的能效性。 低频率数据上报兼有突发业务的应用是另外一种典型的WSN应用。已有一些MAC协议能处理突发数据，如DMAC协议，但DMAC协议处理突发数据存在严重的冲突问题。而S-NonBcn协议的活跃占空比不能动态的调整，导致突发数据的丢失。本文在S-NonBcn协议的基础上，设计了适用于低频率数据上报兼有突发业务应用的B-S-NonBcn协议。B-S-NonBcn协议也采用S-NonBcn协议的交错休眠机制，降低了能耗。根据突发数据的特点，采用请求回复机制动态的调整活跃占空比，使数据能快速的到达Sink节点。通过NS2仿真，与S-NonBcn协议、DMAC协议相比，B-S-NonBcn协议不仅具有更高的能效性，而且降低了端到端的平均丢包率和端到端的平均时延。 【关键词】：无线传感器网络 MAC协议 IEEE802.15.4 能效性
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 引言14-17
• 1.1 课题研究背景14-15
• 1.2 无线传感器网络研究现状15
• 1.3 研究的目标与内容15-16
• 1.4 论文结构16-17
• 第二章 无线传感器网络 MAC 协议综述17-25
• 2.1 无线传感器网络 MAC 协议的设计准则17-18
• 2.2 无线传感器网络 MAC 协议研究现状18-19
• 2.3 典型无线传感器网络 MAC 协议分析19-24
• 2.3.1 SMAC 协议19-21
• 2.3.2 DMAC 协议21-22
• 2.3.3 IEEE 802.15.4 MAC 协议22-24
• 2.4 小结24-25
• 第三章 S-NonBcn 协议25-56
• 3.1 S-NonBcn 协议的设计25-41
• 3.1.1 问题的提出和分析25-27
• 3.1.2 设计思路27-28
• 3.1.3 协议的前提条件28
• 3.1.4 协议的机制28-35
• 3.1.5 协议的流程35-38
• 3.1.6 协议的帧结构38-41
• 3.2 仿真实验与结果分析41-54
• 3.2.1 S-NonBcn 协议仿真的实现42-46
• 3.2.2 简单拓扑下的仿真46-50
• 3.2.3 复杂拓扑下的仿真50-54
• 3.3 小结54-56
• 第四章 B-S-NonBcn 协议56-83
• 4.1 B-S-NonBcn 协议的设计56-68
• 4.1.1 问题的提出与分析56-59
• 4.1.2 设计思路59-60
• 4.1.3 协议的前提条件60
• 4.1.4 协议的机制60-65
• 4.1.5 协议的流程65-66
• 4.1.6 协议的帧结构66-68
• 4.2 仿真实验与结果分析68-82
• 4.2.1 B-S-NonBcn 协议仿真的实现69-70
• 4.2.2 简单拓扑下的仿真70-76
• 4.2.3 复杂拓扑下的仿真76-82
• 4.3 小结82-83
• 第五章 总结与展望83-85
• 5.1 论文工作总结83-84
• 5.2 未来工作展望84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-89
• 攻读硕士学位期间研究成果89-90

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