基于上报业务的无线传感器网络节能MAC协议研究-通信与信息系统专业论文.docx

万方数据 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 万方数据 万方数据 摘要 摘 要 无线传感器网络广泛应用于各个领域，但网络节点多采用电池供电，节能一 直是无线传感器网络研究的核心问题。现有研究主要从 MAC 协议、路由协议和组 网等方面进行改进，减少无线传感器网络能量消耗。本文主要研究 MAC 协议的节 能，对 MAC 协议 DMAC 存在的问题进行分析，并针对其存在的问题改进 DMAC 协议，设计了 STSA-MAC、BSTSA-MAC、MSTSA-MAC、BMSTSA-MAC 协议。 无线传感器网络主要应用场景是传感器节点周期性采集传感数据上传至 sink 节点，其业务类型可能是单周期业务也可能是多周期业务。无论是单周期业务还 是多周期业务，网络中节点同时有数据发送时，依据 DMAC 竞争机制，数据冲突 概率显著增大，因数据冲突造成能量浪费和传输时延增大。根据 DMAC 协议数据 预测机制，节点在接收时隙内存在空闲侦听，空闲侦听造成能量浪费。 针对 DMAC 协议存在的问题，在无线传感器网络的单周期业务应用中，设计 了 STSA-MAC 协议。由 sink 节点发送 TSA 帧分配网络中节点发送时隙和接收时 隙，减少冲突和空闲侦听带来的能量浪费等问题。针对单周期无线传感器网络中 存在突发数据的情形，在 STSA-MAC 基础上，设计了 BSTSA-MAC 协议。对于突 发数据时隙安排，通过将相关标志位置 1 通知父节点有突发数据发送。父节点在 回复 ACK 中捎带突发数据发送时隙信息，子节点根据 ACK 信息确定突发数据时 隙安排。最后通过 NS2 仿真，证明 STSA-MAC 和 BSTSA-MAC 协议在能量消耗、 端到端时延、端到端丢包率方面都优于 DMAC，较 DMAC 有更高的能效性。 在无线传感器网络的多周期业务应用中，针对 DMAC 存在的问题设计了 MSTSA-MAC 协议。节点在 STSA-MAC 协议的 sink 节点分配时隙基础上，结合父 节点回复的 ACK 信息，决定节点时隙调度。通过合理安排节点发送时隙，有效减 少了竞争带来的能量浪费、传输时延等问题。同样，针对多周期情况下存在突发 数据情况，设计了 BMSTSA-MAC 协议。通过将相关标志位置 1 通知父节点节点 有突发数据发送，父节点根据记录的有关子节点时隙安排信息，在回复的 ACK 信 息中捎带突发数据时隙安排信息。最后，通过 NS2 仿真验证，两种协议在能量消 耗、端到端丢包率、端到端时延方面都有较大改善。 关键词：DMAC，节能 MAC，周期性上报业务，无线传感器网络 I ABSTRACT ABSTRACT In recent decades, wireless sensor networks has been widely studied and applied.Until today, the main problem of wireless sensor network is still the limited energy supply, which because nodes are supplied with battery. Existing researches mainly focus on MAC protocols, routing protocols and networking to reduce the energy consumption of wireless sensor networks and increase network lifetime. This paper we study DMAC, which is an energy-efficient MAC protocol, and analyse its problems. To solve its problems, we