基于预测和反馈的无线传感器网络PF-MAC协议

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本文分析了目前比较流行的基于竞争的无线传感器网络MAC协议如S-MAC及其相关改进协议,其设计的主导思想是通过牺牲公平性和其他网络性能来换取对能量的节省。这样做在网络流量负载较低时可以实现低能耗的设计要求,但不适用于高流量负载或者突发数据流量较大的网络环境中。针对现有基于竞争的MAC协议的缺点和不足,本文提出了一种基于S-MAC新的竞争型无线传感器网络MAC协议——PF-MAC (Prediction and Feedback MAC)。PF-MAC的设计思想主要包括两方面的内容:一是新协议提出了基于预测和反馈的退避算法机制。即发送节点在退避阶段对各个退避时隙内信道的忙闲状况进行侦听,若信道空闲则退避计时器递减直至为0,此时退避成功;若信道忙则冻结退避计时器并将信道占用计数器加1,最后根据随机退避总时隙数和信道占用计数器的值计算出时隙利用率,合理地推测整个网络的拥塞程度,在发送数据分组后根据相应更新规则公式自适应的改变竞争窗口值以适应当前网络负载状况。二是采用了自适应占空比机制。即传感器节点在发送数据分组时对其发送的分组个数进行记录,在一个同步周期(SYNC Period)结束后计算出该周期内数据分组发送速率并根据相应更新规则公式自适应调整占空比,以适应当前网络负载状况。为了验证PF-MAC的有效性,本文使用NS-2网络仿真工具对改进的PF-MAC协议与原SMAC协议、IEEE802.11协议进行模拟仿真,并通过配置不同MAC协议在相同仿真网络环境中表现出来的差异性来进一步说明PF-MAC协议的可行性和优越性。实验表明,PF-MAC协议在数据流量负载变化的网络环境中表现出良好的适应性,可以极大的提高网络整体性能。在数据负载流量相同的情况下,会得到更高的网络吞吐量和较低的传输时延,这在一定程度上能够有效减少能量浪费,延长能量受限的无线传感器网络节点的工作寿命。
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