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无线传感器网络中多信道MAC机制的研究

作　者: 罗海波
导　师: 罗娟
学　校: 湖南大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 无线传感器网络媒质访问控制多信道 802.15.4/ZigBee
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 265次
引　用: 1次
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内容摘要

随着微机电系统、集成电路、无线通信与信息网络等技术的迅速发展,无线传感器网络作为感测监控网及无线个域网的一种新的应用模式成为近年来学术界和工业界的研究热点之一。它集数据采集、处理以及无线通信于一体,具有价格低廉、部署方式便利、环境自适应等特点,在军事、环境、医疗、家庭等诸多领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络节点密度大,数量多,如何在保证吞吐量、时延及能耗性能的基础上,构建可靠的传感器网络应用,是传感器网络能真正走向应用的前提。本文主要研究和设计无线传感器网络中多信道MAC机制。首先,分析了当前无线传感网络中MAC算法和存在的局限性,指出多信道MAC的意义,接着分析了当前多信道MAC算法普遍存在的问题,即要求无线传感节点至少存在2个发射器,这样会增加网络成本。本文基于分簇的网络拓扑结构,利用时分、频分复用,提出了一种基于虚拟链路的多信道MAC机制-VL-MAC。VL-MAC包括三个方面的内容,即信道分配、簇内通信和簇间通信。其在簇内使用时分方式,簇内各节点分时地与簇头节点通信,且相邻簇之间分配使用不同的信道,以避免干扰和冲突。在整个网络中,形成若干条互不重叠的“虚拟链路”,簇间数据通过虚拟链路进行传输。在汇聚节点(Sink)与虚拟链路间,则通过虚拟MIMO的方式进行交互,以避免Sink节点周围大量的数据传输所造成的冲突和干扰。此外,本文在VL-MAC中避免了无线通信中的“聋子问题”,分析了“隐终端问题”,表明通过适当选择网络深度和网络簇半径,则可避免“隐终端问题”。VL-MAC仅要求硬件节点配备单发射器,符合实际应用。802.15.4/ZigBee协议是当前在无线传感器网络中应用最为广泛的协议体系,本文在深入分析了802.15.4/ZigBee的MAC机制后,为802.15.4/ZigBee应用设计了一个基于VL-MAC的多信道MAC机制,并通过通信原语和命令帧实现了此机制,所实现的原语和命令帧可完全跟802.15.4/ZigBee兼容,易于代码实现。为验证VL-MAC的性能,本文最后通过仿真考察了VL-MAC吞吐量、时延和能耗三个方面的性能。仿真结果表明,VL-MAC吞吐量大、时延较低、能耗低。此外,本文设计实现了一个基于802.15.4多信道MAC的矿井模拟实验,通过与单信道通信方式的对比可知,多信道MAC方式可在网络负载较重时,成倍增大网络吞吐量。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
插图索引  10-12
附表索引  12-13
第1章绪论  13-17
  1.1 引言  13
  1.2 无线传感器网络概述及发展  13-14
  1.3 选题背景及意义  14-16
  1.4 研究内容  16
  1.5 本文结构  16-17
第2章相关技术概述  17-24
  2.1 多信道媒质访问控制  17-19
    2.1.1 媒质访问控制  17-18
    2.1.2 几种典型的MAC 协议  18-19
    2.1.3 多信道MAC  19
  2.2 802.15.4/ZigBee 协议  19-23
    2.2.1 802.15.4/ZigBee 协议体系概况  20-21
    2.2.2 802.15.4/ZigBee 与其他无线协议的比较  21-22
    2.2.3 802.15.4/ZigBee 的实现  22-23
  2.3 小结  23-24
第3章基于虚拟链路的多信道MAC 机制设计  24-35
  3.1 VL-MAC 设计的提出  24-25
    3.1.1 设计背景及思想  24-25
    3.1.2 前提假设  25
  3.2 VL-MAC 设计的内容  25-31
    3.2.1 信道分配  25-28
    3.2.2 簇内通信  28-30
    3.2.3 簇间通信  30-31
  3.3 VL-MAC 中的隐终端问题  31-34
    3.3.1 隐终端问题的含义  31-32
    3.3.2 VL-MAC 中隐终端问题的解决  32-34
  3.4 小结  34-35
第4章基于 ZigBee 的 VL-MAC 的设计  35-57
  4.1 802.15.4/ZigBee 协议 MAC  35-38
  4.2 802.15.4/ZigBee 多信道 MAC 的设计  38-45
    4.2.1 簇结构网络的形成  38-39
    4.2.2 簇内及簇间通信过程设计  39-42
    4.2.3 虚拟MIMO 与Sink 通信机制  42-45
  4.3 802.15.4/ZigBee 多信道 MAC 的原语实现  45-56
    4.3.1 信道扫描类原语  47-49
    4.3.2 信道分配类原语  49-51
    4.3.3 簇内通信类原语  51-53
    4.3.4 簇间通信类原语  53
    4.3.5 GTS 相关原语  53-55
    4.3.6 时间同步问题的解决  55-56
  4.4 小结  56-57
第5章仿真实验及其矿井模拟实验  57-65
  5.1 VL-MAC 仿真分析  57-60
    5.1.1 仿真平台OMNET++简介  57
    5.1.2 仿真的实施及结果分析  57-60
  5.2 矿井模拟实验分析  60-63
    5.2.1 硬件节点概况  60
    5.2.2 实验的实施  60-61
    5.2.3 实验效果分析  61-63
  5.3 小结  63-65
结论  65-66
参考文献  66-71
附录A 攻读硕士期间发表的论文  71-72
附录B 攻读硕士期间参与的项目列表  72-73
致谢  73

无线传感器网络中多信道MAC机制的研究

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