优秀研究生学位论文题录展示无线传感器网络MAC协议关键技术研究专　业: 计算机科学与技术关键词: 无线传感器网络 介质访问控制协议 LP-MAC协议 协议测试 链路调度分类号: TN92　
TN915.04形　态: 共 152 页　约 99,560 个字　约 4.762 M内容阅　读: 内容摘要无线传感器网络是当今网络技术的一个研究热点。传感器节点集成了微传感器、微控制器和无线通信模块，具有体积小、功耗低、价格低廉和无线通信的优势。这些节点可以随机部署、自组成网，完成对环境数据的自动化采集、处理和传输。无线传感器网络连接了信息世界和现实世界，提高了人们对物理世界的认识能力。
介质访问控制(MAC)协议是无线传感器网络研究领域的基础协议和支撑技术。MAC协议的研究对传感器网络中的覆盖部署、拓扑控制、路由技术、同步与定位以及安全管理等关键技术均具有深远影响。传统无线网络MAC协议经事实验证无法应用于传感器网络，大量针对无线传感器网络新特性和应用需求的MAC协议相继提出。但现有各种MAC协议关注的网络特性、优化的性能指标、采取的技术手段和面向的具体应用各不相同，同网络协议栈各层交互和处理的范围和程度也不尽相同，因而所带来的效果千差万别，都存在不同程度的局限性，还有许多基础性问题和关键技术需要解决。
围绕无线传感器网络MAC协议性能优化这个关键问题，本文深入分析影响MAC协议性能的本质原因，针对现有工作中存在的能耗与延迟优化不够理想、通信模型过于简化、能量效率与负载均衡无法兼顾、理论成果难以有效验证等不足之处展开研究，提出了相应的解决方法，做了一些有益的尝试。主要研究工作反映在以下五个方面：
1)对当前无线传感器网络中典型MAC协议进行总结和分类，详细分析和比较这些协议的核心机制、性能特点和应用范围，并指出未来的研究策略与重点。
2)提出一种基于梯型休眠调度的MAC协议--LP-MAC，及其改进版本ELP-MAC。LP-MAC安排传输路径上的节点连续转发数据从而消除睡眠延时；采用冲突避免机制和基于链路计数器的临时唤醒机制减少兄弟节点间冲突并增加节点休眠时间，提高协议能量效率。理论分析和模拟实验表明，LP-MAC协议既具有低能耗的协议特性，也能保证较低的稳定的端到端延时。ELP-MAC在LP-MAC基础上改进了梯型休眠调度和临时唤醒机制进一步减少通信能耗，基于3SAT问题的NP完全性证明指出ELP-MAC最小冲突规模接收调度问题是NP完全问题，给出一种集中式近似算法。仿真实验表明，ELP-MAC协议能够有效减少聚播通信中的报文冲突，增加节点睡眠时间，能耗和端到端延迟等性能优于LP-MAC，更适合大规模网络部署。
3)提出一种求解一般网络环境下最小空间重用TDMA链路调度问题的集中式算法--MSRLS-C及其分布式实现--MSRLS-D。研究一般网络拓扑条件下无线传感器网络链路调度模型，即在确定网络中各链路带宽需求的基础上，给定一个源和目的节点对的集合{(si，ti)}，怎样安排最小规模的链路调度，使带宽资源得以充分利用，而问题的约束条件是节点之间可能存在信道干扰。研究了无线传感器网络的信道干扰模型，在此基础上给出了最小空间重用TDMA链路调度(MinimalSpatialReuseTDMALinkScheduling，MSRLS)问题的形式化描述，基于顶点着色问题的NP完全性证明指出求MSRLS问题最优解也是NP-Complete的；设计了求解MSRLS问题的集中式近似算法MSRLS-C；分析了该算法的近似程度；给出集中式算法的分布式实现MSRLS-D，并分析算法可能产生的标记冲突数目的一个上界及算法的执行时间。通过仿真实验分析并验证了MSRLS-C和MSRLS-D算法的性能，模拟结果表明上述算法可获得比现有工作数量更少的时槽分配，且空间重用度更高。
4)提出一种基于转发选举的跨层MAC协议--FE-MAC。该协议属于竞争类MAC协议，兼有网络层路由功能，旨在从提高能量效率和改善负载均衡两方面延长网络生存时间。FE-MAC采用自适应侦听机制增加节点睡眠时间，提高能量效率，同时组织节点根据当前剩余能量竞争分组转发权，使剩余能量高的节点承载更多的转发任务，实现负载均衡和路由功能。分析了转发选举的工作原理并论证了其正确性。给出优先级分配算法并讨论了协议时间参数的取值。模拟结果表明，FE-MAC负载均衡效果明显，能有效延长网络生存时间，代价是在流量较大的情况下增加了传输延迟。通过模拟实验证明单一追求能量效率和负载均衡都不能获得最长的网络生存时间，指出对于大规模网络部署，负载均衡应得到侧重。
5)基于MOS实现B-MAC及其改进协议SP-MAC，利用现有传感器网络实验平台构建真实网络场景进行协议测试和比较。实验结果表明，在不同流量的三种网络环境下，采用短前导帧接收响应机制的SP-MAC协议在延迟和能耗等性能指标上优于B-MAC协议，理论分析得到验证..……全文目录文摘英文文摘论文说明：图表目录第一章 绪论1.1研究背景1.1.1无线传感器网络基本概念1.1.2无线传感器网络的特点1.1.3传感器网络主要性能评价指标1.1.4传感器网络的应用1.2传感器网络研究内容和研究现状1.2.1研究内容1.2.2研究现状1.3主要研究内容和成果1.4全文组织第二章
无线传感器网络MAC协议研究现状及分析2.1无线传感器网络MAC协议概述2.1.1设计原则2.1.2无线传感器网络MAC协议分类2.2现有MAC协议分析2.2.1基于竞争的MAC协议2.2.2基于调度的MAC协议2.2.3混合MAC协议2.2.4跨层MAC协议2.2.5其它MAC协议及相关研究工作2.3无线传感器网络MAC协议比较2.4小结第三章
基于休眠调度的介质访问控制3.1引言3.1.1无线传感器网络休眠调度3.1.2现有工作及不足3.1.3能量消耗与传输延时之间的矛盾3.2 LP-MAC协议设计3.2.1流量模型和梯型调度3.2.2数据分组传输和冲突避免3.2.3临时唤醒机制3.2.4延迟分析3.3 LP-MAC协议性能仿真3.3.1参数设置和性能评价指标3.3.2实验结果与分析3.4 LP-MAC协议改进3.4.1数据采集网和改进的梯型调度3.4.2数据采集网的构造3.4.3接收调度问题3.4.4 MCSRS问题启发式算法3.5 ELP-MAC协议仿真3.6小结第四章
无线传感器网络空间重用链路调度模型与算法4.1研究动机4.1.1TDMA的优势4.1.2现有工作及不足4.2网络模型与流量模型4.2.1网络模型4.2.2流量模型4.3问题描述4.3.1最小空间重用链路调度问题4.3.2难解性分析4.4集中式算法MSRLS-C4.4.1 w-干扰图4.4.2 MSRLS-C算法4.5 MSRLS-C算法性能仿真4.6分布式算法MSRLS-D4.6.1 MSRLS-D算法4.6.2 MSRLS-D算法分析4.7 MSRLS-D算法性能仿真4.8小结第五章
基于转发选举的跨层MAC协议5.1引言5.2相关研究5.2.1能量高效MAC协议5.2.2能量感知路由协议5.3问题提出和假设5.3.1问题提出5.3.2基本假设和定义5.4 FE-MAC协议描述5.4.1邻居发现和周期睡眠5.4.2工作阶段5.4.3自适应侦听5.4.4优先级分配算法和响应时间的计算5.4.5时间参数选取5.5 FE-MAC协议仿真5.5.1参数设置5.5.2实验结果及分析5.6小结第六章
传感器网络实验平台及MAC协议测试6.1相关协议6.1.1 IEEE 802.15.4协议6.1.2 B-MAC协议6.1.3 X-MAC协议6.2 SP-MAC协议设计与实现6.2.1 SP-MAC协议原理6.2.2短前导帧重发算法6.2.3协议接口函数6.2.4帧结构设计6.2.5 MAC层状态机6.2.6数据发送过程6.2.7数据接收过程6.2.8延迟分析6.3传感器网络实验平台简介6.3.1硬件平台6.3.2软件平台6.4协议测试实验6.4.1场景设计6.4.2评价指标及实验参数6.4.3测试结果及分析6.5小结第七章
研究总结与展望7.1研究总结7.2研究展望参考文献相似论文,134页,TN925.93
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3秒自动关闭窗口无线传感网（8）
1.&&&&&&&&什么是MAC协议？
MAC（medium accesscontrol），介质访问控制，MAC协议是无线传感网的关键技术之一，决定了无线信道的使用方式，其性能直接影响了整个网络的性能。它是保障无线传感网高效通信的关键技术之一。
2.&&&&&&&&无线传感网MAC协议设计主要表现在几个方面
（1）能量效率：MAC协议以减少能耗，最大化网络生存时间为首要目标；由于无线传感网应用的特殊性，MAC协议要尽可能地节约能量，提高能量效率，从而延长整个网络的生存周期，这是无线传感网协议设计的核心问题。
（2）可扩展性：网络实时性、吞吐量及带宽利用率为次要设计目标；MAC协议负责搭建无线传感网通信系统底层基础结构，必须能够适应无线传感网规模、网络负载以及网络拓扑的动态变化。
（3）网络效率：能量效率以外的公平性一般不作为设计目标；网络效率包括网络的可靠性、实时性、吞吐量、公平性、QoS等。
（4）算法复杂度：众多节点协同完成应用任务，必然增加算法的复杂度。
（5）与其他层协议的协同：
3.&&&&&&&&无线传感网的能量消耗主要体现在那几个方面？
通信能耗、感知能耗、计算能耗
4.&&&&&&&&通信过程中造成能量损耗主要体现在几方面（无线传感网MAC协议设计面临的问题）&
（1）空闲监听（idle&listenning）&&：节点在不需要收发数据时仍保持对信道的空闲监听。
（2）冲突重传&&：数据冲突导致的重传和等待重传。
（3）控制开销&&：保证可靠传输，使用一些控制分组：RTS/CTS
（4）串扰&：节点因接收并处理并非传输给自己的分组造成的串音。由于无线信道为共享介质，因此节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃。
5.&&&&&&&&基于竞争的MAC协议
1)&&&&&&&&典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问（CSMA，carrier sense multiple access）
2)&&&&&&&&无线传感网IEEE802.11MAC协议的分布式协调（DCF，distributed coordination function）工作模式采用带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA，CSMA with collision avoidance）和点协调（PCF，point coordinationfunction）
3)&&&&&&&&IEEE802.11MAC协议：有分布式协调（DCF）和点协调（PCF）两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11MAC协议的基本访问控制方式。由于在无线信道中难以检测到信号的碰撞，因而只能采用随机退避的方式来减少数据碰撞的概率。在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避机制，实现无线信道的共享。PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式。IEEE802.11MAC协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能。&
6.&&&&&&&&IEEE802.11MAC协议规定的三种基本帧间间隔
最短帧间间隔SIFS、PCF方式下使用的帧间间隔PIFS、DCF方式下使用的帧间间隔DIFS
DIFS&PIFS&SIFS
退避时间=random（）*aslottime
aslottime是一个时隙实践，包括发射启动时间、媒体传播时延、检测信道的响应时间
7.&&&&&&&&S-MAC协议
以无线传感网的能量效率为主要设计目标，较好地解决了能量问题，同时兼顾了网络的可扩展性。但是其较为固定的调度周期不能很好地适应网络流量的变化。
周期性侦听和睡眠、自适应监听、减少碰撞和避免串音（在RTS阶段采用物理载波侦听和虚拟载波侦听机制）、消息传递
8.&&&&&&&&T-MAC协议
采用了一种自适应调整占空比的方法，通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比，可以更加有效的降低能量消耗。
周期性侦听的同步、RTS操作和TA的选择、避免串扰、早睡问题
9.&&&&&&&&什么是早睡问题？
在采用周期性调度的MAC协议中，如果一个节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态，这种现象成为早睡。
解决早睡的两种方法：预请求发送机制（futurerequest-to-send，FRTS）和满缓冲区优先（full-buffer priority）机制
10.&&&& S-MAC协议、T-MAC协议区别与优缺点
S-MAC：通过采用低占空比的周期性监听和睡眠的调度，减少了节点空闲监听的能量损耗；通过采用串扰避免和消息传递机制，减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗；但是周期性睡眠给数据传输带来额外的延迟，减少了系统吞吐量。&
T-MAC：在S-MAC协议基本思想上，通过采用自适应调度方法，能较好地适应网络流量的变化提高了网络吞吐量。&
Sift协议：是一种非常新颖的竞争型MAC协议，它充分考虑了无线传感器网络的业务特点，特别适合冗余，竞争与空间相关的应用场景。Sift协议实现简单，关键在于在固定长度的竞争窗口中选择时隙时需要用到一种递增的非均匀概率分布，而不是传统协议中可变长度竞争窗口。Sift协议提高了事件消息的实时性和网络的带宽利用率，但是没有充分考虑能量效率。&
11.&&&& 基于时分复用的MAC协议
基于分簇的MAC协议：数据传输阶段、刷新阶段、刷新引起的重组阶段、时间触发的重组阶段
DEANA协议：（distributed energy-aware node activation,分布式能量感知节点活动）将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段，
TRAMA协议：（traffic adaptive medium access，流量自适应介质访问），将时间划分为连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免吧时隙分配给无流量的节点，并让非发送节和非接收节点处于睡眠状态，以达到节省能量的目的。该协议的信道分配机制不仅能够保证能量效率，而且对于带宽利用率、延迟和公平性也有很好的支持。
该协议采用了流量自适应分布式选举算法，节点交换两跳内邻居信息，传输分配时指明在时间顺序上哪些节点是目的节点，然后选择在每个时隙上的发送节点和接收节点。TRAMA协议有三部分组成：邻居协议（neighbor protocol，NP）、分配交换协议（scheduleexchange protocol，SEP）、自适应选举算法（adaptive election algorithm，AEA），其中，NP和SEP允许节点交换两跳内的邻居信息和分配信息；AEA利用邻居和分配信息选择当前时隙的发送者和接收者，让其他与此次通信无关的节点进入睡眠状态，以节省能量。
DMAC协议：
DMAC协议基于S-MAC和T-MAC协议的思想，DMAC协议采用预先分配的方法来避免睡眠延迟。
DMAC协议分析了S-MAC协议中的监听睡眠调度机制的缺点，同步的睡眠会增加多跳传输的延迟，同步的监听和竞争信道会增加冲突的可能。S-MAC协议虽然也引入了自适应睡眠机制，但只减少了两跳延迟，数据在多跳传输到汇聚节点的过程中仍会因中间节点的睡眠而出现“走走-婷婷”现象。为了解决这些问题，DMAC协议引入了一种交错的监听睡眠调度机制，以保证数据在多跳路径上的连续传输。
交错唤醒机制：（P61）保证数据能在树状结构上持续传输，不被睡眠所中断。在一个多跳传输路径上，各个节点交错唤醒，。每个间隔分为接收，发送和睡眠三个周期。
数据预测机制：
12.&&&& 简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理&&&CSMA/CA机制:&
当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。
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