1、硕 士 学 位 论 文(工 学 硕 士 )能量高效的无线传感器网络跨层 MAC 协议研究能量高效的无线传感器网络跨层 MAC 协议研究摘 要IClassified Index: School Code: 11845UDC: Security Class: Class No.:2110704298A Dissertation for Masters Degree of Guangdong University of Technology（Master of Engineering Science）Research on Energy efficient cross-layer MAC proto
2、col for Wireless Sensor NetworksII摘要目前，无线传感器网络（Wireless Sensor NetWorks 简称 WSN）的研究主要集中于网络协议、能量有效、定位、可靠性、网络架构以及数据处理等问题，网络协议的研究是其中的热点之一。而作为 WSN 网络协议栈重要基础架构的介质访问控制协议(Medium Access Control，简称 MAC)，决定着无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源。因此 MAC 协议直接影响着网络的整体性能，成为 WSN 网络协议研究的重中之重。无线传感器网络面向任务，网络中节点的资源相当有限，尤其是能量资源，节能效率成为
3、 WSN 首要的性能指标。本文研究跨层设计的 MAC 协议，主要工作有：（1）分析了经典的竞争型和 TDMA 型 MAC 协议，同时分析了典型的跨层设计MAC 协议；（2）在深入研究各种 MAC 协议的基础上，针对中高速型无线传感器网络应用，通过跨层融合 MAC 和路由功能，提出一种基于轻量地址跨层融合 MAC 和路由的协议E-AIMRP（Enhanced Address-Light Integrated MAC and Routing Protocl）。该协议重新跨层融合设计传统的 RTS（Request_To_Send ）数据帧，解决了由于多节点检测和报告而造成的能量浪费问题，同时扩展了单
4、节点检测类型应用的拓扑模型。实验结果表明：该协议有效地延长了网络的生命。（3）为了解决固定的竞争接入方式和同时强制唤醒机制问题，本文为 E-AIMRP协议设计了一种高效的能量节省模型，使其在事件增加或节点增加的情况下，能量消耗维持在一个常数。仿真结果表明该模型能够取得良好的节能效率。本文详细地设计了 E-AIMRP 协议，并阐述了该协议的运行机制，最后通过仿真实验分析该协议的各个性能指标。研究所取得的成果为无线传感器网络的中高速应用提供了参考，具有一定的工程应用价值。摘 要III关键词：无线传感器网络；MAC 协议；跨层设计；E-AIMRPIVABSTRACTCurrently, WSNs r
5、esearch has focused on network protocols, energy, location, reliability, network infrastructure and data processing issues. Network protocol research is one of the hot spot. As an important foundation for WSN network protocol stack architecture. MAC (Medium Access Control, referred to as MAC) protoc
6、ol determines how to use of wireless channel, and responsible allocate wireless communication resources for nodes. so it direct impact on the overall performance of the network, become the top priority of WSN Network ProtocolsWSN is task-oriented, The nodes can refer to quite limited resources,espec
7、ially energy resource, so energy efficiency turns out to be the most important criteria of the communication protocols. This paper concentrates on the Cross Layer Designing WSN MAC protocols, the main responsibilities are:(1) the classic contention-based and TDMA-based WSN MAC protocols are introduc
8、ed, and analyzes the typical cross-layer MAC protocols (2) after deep research on variety of MAC protocols, through the cross-layer integration of MAC and routing, propose an E-AIMRP (Enhanced Address-Light integrated MAC and Routing Protocl) protocol for high speed wireless sensor network applicati
9、ons.The protocol Solve the energy waste issue due to the multi-node testing and reporting and expands single-node test topology model by re-design the traditional RTS (Request_to_Send) data frame. simulation results show that E-AIRMP Effectively prolong the life of the network(3)MAC protocols in gen
10、eral has many limitations in the energy model, the energy efficiency in the applications that require high performance is not very good, this is because the use of fixed competition access mode and the same forced wake-up mechanism. In order to solve this problem, we designed a highly efficient ener
11、gy saving model for E-AIMRP makeing it consumea constant energy as the increasing of nodes and invents. simulation results show that this model can achieve good energy efficiency.ABSTRACTVKeywords: Wireless Sensor Networks; MAC protocol; Cross-Laye Designr; E-AIMRPVI目录摘要 .IABSTRACT.II目录 .IVCONTENTS
12、.VII第一章 绪论 .11.1 课题的研究背景及意义 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 研究意义 .21.2 国内外研究现状 .31.3 课题来源及本文主要研究内容与结构 .61.3.1 课题来源 .61.3.2 本文研究内容及创新点 .61.3.3 论文结构 .7第二章 传统分层 MAC 协议的分析及跨层 MAC 的提出 .92.1 无线传感器网络的通信协议栈 .92.2 无线传感器网络 MAC 层关键问题 .102.2.1 无线传感器网络 MAC 层能耗分析 .102.2.2 无线传感器网络 MAC 协议的设计原则与设计目标 .112.3 基于竞争的无线传感器网络 MAC 协议
13、.132.4 基于 TDMA 的无线传感器网络 MAC 协议 .152.5 混合型的无线传感器网络 MAC 协议分析 .162.6 跨层设计思想 MAC 的提出 .172.6.1 无线传感器网络对跨层的需求 .182.6.2 跨层设计原理 .192.7 本章小结 .20第三章 参考路由信息跨层设计 MAC 协议 .213.1 AIMRP 的应用模型及网络结构 .21目录VII3.1.1 AIMRP 的前提假设和设计特点 .213.1.2 事件检测与快速报告型应用 .223.1.3 AIMRP 的拓扑结构 .223.2 AIRMP 的帧格式和主要运行机制 .233.2.1 AIMRP 的帧格式
14、.233.2.2 AIMRP 的只要运行机制 .243.3 AIMRP 的性能评价 .253.4 E-AIMRP 的提出 .253.5 E-AIMRP 协议的设计及主要运行机制 .263.5.1 帧格式的设计和拓扑适应性的设计 .263.5.2 设计随机空闲侦听和协议死锁避免策略 .273.5.3 E-AIMRP 的主要运行机制 .283.6 E-AIMRP 性能定性分析 .303.7 本章小结 .31第四章 E-AIMRP 的节能模型设计 .324.1 E-AIMRP 的节能模型 .324.2 设置 E-AIMRP 的退让时间和各个 TimeOut 时间 .354.3 E-AIMRP 的网络参数 .364.3.1 E-AIMRP 的连接参数 .364.3.2 E-AIMRP 的睡眠参数 .374.4 E-AIMRP 的平均能量消耗估算 .394.5 本章小结 .41第五章 仿真与实验研究 .425.1 MAC 层的数据收发 .425.2 性能评价指标及分析方法 .435.3 E-AIMRP 的仿真实验分析 .445.3.1 仿真参数设定及节能效率数值分析 .445.3.2 节能效率实验分析及时延性能实验分析 .455.4 本章小结 .49结语与展望 .51
