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基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络的节能MAC协议研究

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缩略语表

第一章 引言

1.1课题研究背景

1.2无线传感器网络研究现状

1.3研究的目标与内容

1.4论文结构

第二章 无线传感器网络MAC协议综述

2.1无线传感器网络MAC协议的设计准则

2.2无线传感器网络MAC协议研究现状

2.3典型无线传感器网络MAC协议分析

2.3.1 SMAC协议

2.3.2 DMAC协议

2.3.3IEEE 802.15.4 MAC协议

2.4小结

第三章 S-NonBcn协议

3.1 S-NonBcn协议的设计

3.1.1问题的提出和分析

3.1.2设计思路

3.1.3协议的前提条件

3.1.4协议的机制

3.1.5协议的流程

3.1.6协议的帧结构

3.2仿真实验与结果分析

3.2.1 S-NonBcn协议仿真的实现

3.2.2简单拓扑下的仿真

3.2.3复杂拓扑下的仿真

3.3小结

第四章 B-S-NonBcn协议

4.1 B-S-NonBcn协议的设计

4.1.1问题的提出与分析

4.1.2设计思路

4.1.3协议的前提条件

4.1.4协议的机制

4.1.5协议的流程

4.1.6协议的帧结构

4.2仿真实验与结果分析

4.2.1 B-S-NonBcn协议仿真的实现

4.2.2简单拓扑下的仿真

4.2.3复杂拓扑下的仿真

4.3小结

第五章 总结与展望

5.1论文工作总结

5.2未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

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摘要

在环境数据监测、军事战场监测等众多领域日益增长的应用需求下,无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)成为目前研究的热点。WSN最大特点是节点能量有限且难以补充,因此如何节能、最大限度延长网络生命周期是WSN研究的核心问题。围绕节能问题,业界在电路实现、MAC协议与路由协议设计等方面进行了大量的研究。本文以IEEE802.15.4非信标模式(NonBcn)MAC协议为基础,针对多跳WSN网络和不同的应用环境,进行节能MAC协议的研究。具体设计了一种适合周期性数据收集应用的S-NonBcn协议,并以此为基础,进一步设计了一种适合低频率数据上报兼有突发业务的B-S-NonBcn协议。
  IEEE802.15.4非信标模式(NonBcn)没有休眠机制,不能有效节省能耗。本文在NonBcn协议基础上,从减少空闲监听时间和降低冲突两方面降低能耗,设计了适用于周期性数据收集应用的S-NonBcn协议。S-NonBcn协议利用了数据收集的特点,采用交错休眠机制减少了空闲监听时间,并针对交错休眠机制带来的严重冲突问题,设计了冲突解决机制。通过网络仿真软件NS2仿真,验证了S-NonBcn协议比NonBcn协议具有更高的能效性。
  低频率数据上报兼有突发业务的应用是另外一种典型的WSN应用。已有一些MAC协议能处理突发数据,如DMAC协议,但DMAC协议处理突发数据存在严重的冲突问题。而S-NonBcn协议的活跃占空比不能动态的调整,导致突发数据的丢失。本文在S-NonBcn协议的基础上,设计了适用于低频率数据上报兼有突发业务应用的B-S-NonBcn协议。B-S-NonBcn协议也采用S-NonBcn协议的交错休眠机制,降低了能耗。根据突发数据的特点,采用请求回复机制动态的调整活跃占空比,使数据能快速的到达Sink节点。通过NS2仿真,与S-NonBcn协议、DMAC协议相比,B-S-NonBcn协议不仅具有更高的能效性,而且降低了端到端的平均丢包率和端到端的平均时延。

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