無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議及其擴(kuò)展.pdf

1、受益于制造技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在自然環(huán)境、交通運(yùn)輸、軍事戰(zhàn)爭(zhēng)、醫(yī)療健康、空間探索以及商業(yè)生活等多種場(chǎng)合有著廣闊的應(yīng)用前景。本文以此為切入點(diǎn),詳細(xì)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及通信方式,以及通信能力有限、電源能量有限、計(jì)算能力有限、傳感器數(shù)量大、分布范圍廣、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、大規(guī)模分布式觸發(fā)器、感知數(shù)據(jù)流巨大等特性,并據(jù)此提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。隨后本文闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧,包括物理層

2、、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等各部分詳細(xì)功能與結(jié)構(gòu)的描述。其中重點(diǎn)介紹了位于數(shù)據(jù)鏈路層中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制層的概念,以及該層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)特性與設(shè)計(jì)要求。本文的工作之一是按照不同方式,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議進(jìn)行分類。按照結(jié)點(diǎn)通信的方式,可以分為基于預(yù)約與基于競(jìng)爭(zhēng)的;按照通信所使用的物理無線信道數(shù)量,可以分為單信道與多信道的;按照通信參與的單位,可以分為以結(jié)點(diǎn)為單位與以簇為單位;按照協(xié)議所涉及的協(xié)議棧,可以分為單層

3、協(xié)議與跨層協(xié)議。此外還以具體協(xié)議為例,詳細(xì)介紹了Wise MAC、Lightweight MAC(LMAC)、Distributed Energy-aware MAC(DE-MAC)、Traffic-Adaptive Medium Access(TRAMA)等基于預(yù)約的協(xié)議;Sensor-MAC(S-MAC)、Timeout-MAC(T-MAC)、Dynamic Sensor MAC(DSMAC)、Data-gathering MAC(

4、DMAC)等基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議;Geographic Random Forwarding(GeRaF)為代表的跨層協(xié)議;一種基于簇頭選擇模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法和一種基于相關(guān)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法等以簇為單位的協(xié)議以及多信道協(xié)議中的代表Wakeup channel協(xié)議。接著本文選擇OMNeT++為仿真工具,對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的代表CSMA、預(yù)分配協(xié)議的代表LMAC、基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議的代表T-MAC等進(jìn)行了仿真。并對(duì)仿真結(jié)果從結(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)、

5、能源消耗、數(shù)據(jù)包延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)沖突率等方面進(jìn)行了比較與總結(jié)。隨后又將網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)規(guī)模、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景等條件進(jìn)行修改,反復(fù)進(jìn)行仿真,提取各種相關(guān)數(shù)據(jù),并對(duì)各種不同于原來試驗(yàn)結(jié)果的情況進(jìn)行了討論。同時(shí)對(duì)常用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具進(jìn)行了介紹,包括Network Simulator 2(NS-2)、J-Sim、Tiny OS Simulator(TOSSIM)、Objective Modular Network Testbed in C++(OM

6、NeT++)。本文的又一主要工作是提出了HMAC、HMACP和AMAC協(xié)議。其中為異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了專用協(xié)議HMAC及其特殊情況下的變形HMACP,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真,驗(yàn)證其有著更低的功耗和更長的網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間。為帶融合結(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了融合算法AMAC,也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真,驗(yàn)證其有著更高的無線收發(fā)效率。分析了結(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),闡述了S-Mac等協(xié)議不適應(yīng)該應(yīng)用場(chǎng)景的原因,并提出了改進(jìn)方案。最后,本文進(jìn)行了總結(jié),提出了