一种基于数据采集树的无线传感器网络MAC协议研究

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无线传感器网络(WSN)被认为是影响人类生活的重要技术之一,这种技术结合了通信技术、微电子技术、传感器技术,使人们能够更加便捷地获取信息、处理信息。介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议决定无线信道的使用方式,由于无线传感器网络具有自己的特性,因此传统无线网络的MAC协议不能直接应用到无线传感器网络中,所以设计良好的MAC协议来减少网络的能量消耗和数据延迟成为设计无线传感器网络亟待解决的问题。本文针对无线传感器网络中对能量和时延的要求,提出了一种低时延低能耗的DMAC协议改进方法。本文的主要工作是围绕基于数据采集树的数据传输方式进行的,主要开展的研究工作如下:首先,分析了无线传感器网络区别于其它传统网络的本质不同,指出MAC协议设计时要考虑的各个因素,包括网络生存期,能量利用率,端到端时延,吞吐量等。研究分析了现有的经典传感器网络MAC协议,分析了协议所采用的机制及其对网络性能的影响。比较了各种机制的优缺点,分析了协议的网络延迟及能量消耗等因素。其次,分析了以数据采集树为基础的网络拓扑结构中,传统数据传输模式中存在的不足,在此基础上,为了减小网络延时,提高能量利用率,根据以数据采集树为基础的交错的调度机制的特点,基于串音机制提出了一种新的消息传递机制,在传输路径中,数据包既可以作为要发送的数据,也可以作为前一跳节点的ACK应答。通过这种方式,减少了数据传输中多余的控制信息,提高了链路的有效利用率,降低了网络传输延迟,提高了节点的能量效率,并且保证了无线信道中可靠的数据传输。仿真结果验证,改进后的协议减小了时延,降低了能量消耗。然后,从负载均衡,延长网络生存期的角度出发,鉴于数据采集树的网络拓扑本身存在的缺陷,经过仿真看到在网络节点采样频率过快,网络负载较大的情况下,低深度节点承载了过多的数据包,更容易发生碰撞,造成丢包现象。由于丢包引起的重传不仅额外消耗了节点能量而且加大了网络延时。本文提出了一种源节点睡眠调度机制,用它来均衡网络中的流量。当网络中负载较大的时候,调节源节点进入睡眠状态,尽量避免数据冲突,从而使全网负载均衡,延长了网络生存期。仿真结果验证,改进后的协议有效地延长了网络生存期。最后,总结了本文的工作内容,以及指出了在以后的工作中可以继续改进的地方,并展望了未来的前景。
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