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无线传感器网络中多信道MAC协议的研究

作　者: 肖榕
导　师: 蒋铃鸽
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络多信道MAC协议控制信道信道可靠性多信道交互协议伪随机序列退避机制
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

无线传感器网络(WSN)作为一项新兴的技术得到了广泛的关注和应用。随着无线传感器网络的发展,传感器网络遇到了很多的问题:一方面,随着网络节点密度的提高,同一介质接入区域内的节点竞争变得越来越激烈;另一方面,多媒体传感器节点的应用对网络提出了更高的数据率和吞吐量要求。多信道MAC协议可以很好地解决这些问题。对于规模小的无线传感器网络来说,集中式的信道资源分配更适合硬件受限的WSN节点;对于规模比较大的无线传感器网络,分布式信道资源分配方案更适合。专用控制信道协议是一类常见的多信道MAC协议。该协议要求网络中有一个专用控制信道用来协商控制消息,其余的数据信道用来进行数据通信。为了避免多信道隐终端问题,已有的无线传感器网络专用控制信道协议大多依赖于多次的即时信道检测,或者由于随机的分散化策略而引入大量的碰撞和重传。本文提出了一种基于信道可靠性的多信道MAC协议,简称RB-MAC(Reliability Based-MAC)。该协议引入了一种新的控制包结构和数据信道协商机制,在此基础上提出了可发送信道列表和可接收信道列表的概念。为了从候选信道中选择最可靠的数据信道进行通信,将信道的可靠性问题抽象为博弈论中的多臂匪徒问题,并使用上限信心算法进行求解。仿真结果表明,与已有的动态信道分配方案(DCA-MAC)相比,RB-MAC在时延、吞吐量和丢包率性能上都有所提升,且具有更好的抗干扰性。多信道交互协议能够有效解决专用控制信道协议中存在的控制信道瓶颈问题,因为该协议可以同时在不同的信道上进行协商。传统的无线网络中的多信道交互协议需要节点进行跳频,这对于电池供电的无线传感器网络节点来说是不现实的。本文提出了两种适用于无线传感器网络的多信道交互协议:基于群退避的多信道MAC协议和基于伪随机序列退避机制的多信道MAC协议。通过实验比较了这两种算法,发现基于伪随机序列退避机制的多信道MAC协议相比于基于群退避的多信道MAC协议需要更少的信道切换次数。通过NS2仿真实验,分析了基于伪随机序列退避机制的多信道MAC协议,并比较其与单信道组网的WSN网络的性能,证明了该协议具有更好的能耗和时延性能。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
插图索引  11-13
英文缩写对照表  13-14
第一章绪论  14-24
  1.1 引言  14
  1.2 无线传感器网络概述  14-19
    1.2.1 无线传感器网络的特点  15-16
    1.2.2 无线传感器网络系统及协议体系结构  16-18
    1.2.3 无线传感器网络节点硬件结构  18-19
  1.3 无线传感器网络中的多信道MAC 协议概述  19-21
    1.3.1 研究意义  19-20
    1.3.2 研究现状  20-21
  1.4 论文主要内容  21-22
  1.5 论文结构安排  22-24
第二章无线传感器网络MAC 协议综述  24-40
  2.1 引言  24
  2.2 无线MAC 协议的基本知识  24-27
    2.2.1 隐终端和显终端问题  24-25
    2.2.2 CSMA 协议  25-26
    2.2.3 RTS  26
    2.2.4 时分复用（TDMA）机制  26-27
  2.3 IEEE 802.15.4 协议  27-33
    2.3.1 网络体系结构与节点的类型和作用  28-29
    2.3.2 超帧结构  29-30
    2.3.3 GTS 管理  30
    2.3.4 数据传输过程  30-31
    2.3.5 时隙CSMA-CA 协议  31-33
    2.3.6 无信标模式  33
  2.4 传统的无线网络多信道MAC 协议  33-36
    2.4.1 专用控制信道协议  35
    2.4.2 共同跳频协议  35-36
    2.4.3 分阶段协议  36
    2.4.4 多信道交互协议  36
  2.5 无线传感器网络多信道MAC 协议  36-38
    2.5.1 设计难点  36-37
    2.5.2 设计思路  37-38
  2.6 本章小结  38-40
第三章一种基于信道可靠性的多信道MAC 协议  40-56
  3.1 引言  40
  3.2 无线传感器网络中基于控制信道的多信道MAC 协议  40-41
    3.2.1 多次信道检测法  40-41
    3.2.2 随机接入信道法  41
  3.3 基于信道可靠性的多信道MAC 协议  41-49
    3.3.1 控制包结构  42-44
    3.3.2 可发送信道列表和可接收信道列表  44-45
    3.3.3 基于可靠性的数据信道选择策略  45-47
    3.3.4 PB-MAC 对多信道隐终端问题的解决  47-49
  3.4 仿真结果与分析  49-54
    3.4.1 无外部干扰情况下的仿真和性能分析  50-52
    3.4.2 有外部干扰情况下的仿真和性能分析  52-54
  3.5 本章小结  54-56
第四章一种基于伪随机序列退避机制的多信道MAC 协议  56-74
  4.1 引言  56
  4.2 传统无线网络中的多信道交互协议  56-57
    4.2.1 SSCH 协议  56-57
    4.2.2 McMAC 协议  57
  4.3 基于群退避的多信道MAC 协议  57-59
  4.4 基于伪随机序列退避机制的多信道MAC 协议  59-63
    4.4.1 信道退避序列  59-60
    4.4.2 介质接入方式  60-61
    4.4.3 同步和睡眠机制  61
    4.4.4 协议算法流程  61-63
  4.5 群退避算法和伪随机序列退避算法比较  63-64
  4.6 仿真结果与分析  64-72
    4.6.1 仿真实验设计  64-67
    4.6.2 仿真结果和性能分析  67-72
  4.7 本章小结  72-74
第五章总结与展望  74-76
  5.1 工作总结  74-75
  5.2 工作展望  75-76
参考文献  76-82
致谢  82-84
攻读学位期间发表的学术论文目录  84-86
攻读学位期间申请的发明专利目录  86-88
攻读学位期间参与的项目  88-90

无线传感器网络中多信道MAC协议的研究

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