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无线传感网络MAC层冲突避免机制研究及其改进

作　者: 秦健
导　师: 刘衍珩
学　校: 吉林大学
专　业: 软件工程
关键词: 无线传感器网络 S-MAC 退避算法竞争窗口
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,由于无线网络技术得到了快速的发展,无线传感器网络(WSN)也发展很快。WSN有着十分广泛的应用前景,它在军事、工业、农业、医疗、环境等领域都有着巨大的运用价值。在无线传感器网络中,MAC协议非常重要,它决定了接入信道的方式,而且它处于网络协议栈的较低层,对网络协议栈的较高层协议起到了不可忽视的作用。传统的无线网络MAC层将大的网络吞吐量和较小的传输延迟作为设计的主要目标,跟一般无线网络不同的是,无线传感器网络采用微型电池供电,因此,如何提高电池的利用效率很重要,同时电池利用率的高低也是评价无线传感器网络协议性能的重要指标。基于竞争的MAC协议可扩展性较好,当网络拓扑出现变化时,它能很好的工作,且不要求严格的时钟同步。但是它在能量效率和消息传输延迟方面需要做一定的权衡。基于竞争的无线传感器MAC协议很多,国内外学者和专家都分别对它们进行了描述和诠释,S‐MAC和T‐MAC是其中具有代表性的。S‐MAC协议采用了RTS/CTS/ACK/SYNC等控制帧来避免冲突,减少能量的浪费。S‐MAC随机退避模型最大的缺陷就是竞争窗口(cw)的值是个定值,在实际网络环境中,活动节点数总是动态变化的,随时都有可能加入新的节点,也有可能死亡旧的节点,这种网络拓扑的变化造成了信道通信量的变化,当节点很多,通信量相对较大时,固定竞争窗口值可能会太小,从而造成冲突概率的上涨,导致能量效率的下降;当节点很少,通信量相对较小时,固定竞争窗口值可能会太大,从而造成不必要的等待,导致信道利用率、能量效率的下降。针对S‐MAC的上述问题本文描述了一种改进方案,改进模型中引入连续传输成功计数器CS,连续传输成功门限CSopt,连续传输失败计数器CL,连续传输失败门限Clopt,并且在RTS帧中加入了CW字段。当计数器的值没有达到门限值时,将CWinit的值赋给CW;当计数器的值达到门限值时,先将CWinit的值相应的乘二或者除二,然后赋给CW,其中CWinit的值可以根据邻居节点广播的CW值和本节点当前的CWinit值进行设定。为了使仿真实验中tcl的脚本开发更简单、高效,本文还开发了可视化场景生成软件,用于可视化的生成tcl脚本。该开发平台主要具有以下功能:TCL脚本的读取(并显示);TCL脚本的编辑;TCL脚本的自动生成(保存);运行TCL脚本。随后,本文在NS2中实现了上述退避算法,文中还具体描述了改进退避算法的实现过程。最后,本文在各种不同的场景下,将改进后的S‐MAC协议与原S‐MAC协议做了对比分析,结果表明改进方案比原方案具有更好的能量效率和信道利用率。

全文目录

前言  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-15
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 传感器网络的媒体接入控制问题  13-14
  1.3 本文的主要内容及结构安排  14-15
第2章基于竞争的无线传感器MAC 协议研究  15-20
  2.1 基于竞争的无线传感器MAC 协议介绍  15-19
    2.1.1 S-MAC 协议  15-17
    2.1.2 T-MAC 协议  17-19
  2.2 基于竞争的无线传感器MAC 协议比较  19
  2.3 本章小结  19-20
第3章退避模型的思考与改进  20-31
  3.1 对S-MAC 随机退避模型的思考  20-21
    3.1.1 S-MAC 随机退避模型介绍  20
    3.1.2 S-MAC 随机退避模型缺陷思考  20-21
  3.2 经典退避算法模型分析  21-23
    3.2.1 BEB 算法  21-22
    3.2.2 一些BEB 的改进算法  22-23
  3.3 博弈论引起的思考  23-24
    3.3.1 囚徒困境  23-24
    3.3.2 对博弈论的思考  24
  3.4 新方案的描述  24-29
  3.5 本章小结  29-31
第4章可视化场景生成软件的开发  31-40
  4.1 可视化场景生成软件的设计  31-34
    4.1.1 需求分析  31
    4.1.2 系统用例图  31-33
    4.1.3 各模块说明  33-34
  4.2 可视化场景生成软件的实现  34-39
    4.2.1 主界面的设计及实现  34-36
    4.2.2 读取TCL 脚本功能的实现  36-37
    4.2.3 编辑TCL 脚本功能的实现  37-39
    4.2.4 保存TCL 脚本功能的实现  39
  4.3 本章小结  39-40
第5章算法的仿真实现及实验分析  40-55
  5.1 N52 简介  40
  5.2 算法的仿真实现  40-50
    5.2.1 添加的预定义变量  40-41
    5.2.2 SMAC 中添加的数据成员  41
    5.2.3 SMAC 中新添数据成员的初始化  41-42
    5.2.4 随机退避时间的计算  42
    5.2.5 计时器挂起的实现  42-44
    5.2.6 通过连续成功  44-48
    5.2.7 通过邻居节点的RTS 帧实现初始化竞争窗口值的更新  48-49
    5.2.8 RTS 帧中传播竞争窗口值的实现  49
    5.2.9 算法实现过程中遇到的一些小bug  49-50
  5.3 仿真模型的建立与结果的分析  50-54
    5.3.1 模拟场景的建立  51-52
    5.3.2 吞吐率分析  52-53
    5.3.3 能量效率分析  53-54
  5.4 本章小结  54-55
第6章总结与展望  55-57
  6.1 研究工作总结  55
  6.2 未来工作的展望  55-57
参考文献  57-59
致谢  59

无线传感网络MAC层冲突避免机制研究及其改进

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