无线传感器网络的MAC协议研究

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无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内的大量微型传感节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。其目的是协同地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。目前无线传感器网络的协议研究主要集中在两个方面:MAC协议和路由协议。MAC协议包括媒体访问控制和差错控制机制,它保证节点间完整、无误、可靠的通信,并尽可能使各节点公平、有效的共享通信信道。传统无线网络的MAC协议无法满足无线传感器网络的需求,对无线传感网络的MAC协议的研究越来越被大家重视,具有很大的研究意义。本文首先介绍了无线传感器网络的体系、研究意义和研究现状,接着介绍无线传感器网络的MAC协议设计的因素并简单分析现有的MAC协议。S-MAC是无线传感器网络的重要MAC协议,它采用类似于IEEE 802.11中的方式来避免冲突,包括虚拟和物理的载波监听和RTS/CTS交换。它采用了三种技术来减少能耗:节点定期睡眠以减少空闲监听造成的能耗;邻近的节点组成虚拟簇,同步节点的睡眠时间;用消息传递的方法来减少时延。S-MAC的退避策略沿用了BEB(Binary Exponential Backoff)算法,本文针对BEB的不公平性,提出了新的退避算法从而减少时延,提高网络的吞吐量。分析时间调度时出现的“边界节点”问题,利用GSA(Global Schedule Algorithm)的思想提出以sink为“标准”的全局调度方法。分析两种握手机制,提出在一个基本周期里第一次数据传输采用RTS-CTS-DATA-ACK握手,在ETC(Extra Transferring Cycle)采用DATA-ACK握手机制,两种握手机制的联合使用来减少空闲侦听和提高传输效率。本文在NS2平台上对所设计的GS-MAC协议进行了仿真,设计了无线传感器网络的仿真环境,完成对跟踪文件和网络的三个主要性能指标(能量,时延,吞吐量)的统计分析。仿真结果表明,本文设计的GS-MAC协议较S-MAC协议和802.11MAC协议,在能量节省、平均吞吐量、时延方面具有一定的性能改善,这对于MAC协议的进一步研究具有参考价值。最后,给出了工作总结,并提出了进一步工作的展望。
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