无线传感器网络MAC层协议研究

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无线传感器网络由大量随机散落在监测区域的低功耗的传感器节点组成,作为一种新兴技术,无线传感器网络有着很广范围的潜在应用前景,如环境监测、国防安全、数字战争等。由于传感器节点能量的局限性,在满足网络QoS需求的基础上,如何高效的利用有限的能量是关键技术之一。在无线传感器网络中,传感器节点能量主要消耗在无线消息接收过程中,而MAC层协议控制无线信道的使用方式,因此对无线传感器网络的节点能耗问题起到关键作用。   首先,本文对无线传感器网络进行了简介,并介绍了无线传感器网络的特征、协议栈、与传统无线网络的区别以及传感器节点的限制。   其次,本文对无线传感器网络中的成熟的MAC协议进行了介绍,以分类的形式分别介绍了基于竞争、基于时分复用、其他形式的MAC协议。不同类型的MAC协议有着其特有的消息处理机制,适用于不同的应用场景。分析了已有MAC协议的局限性,具体分析了应用较为广泛的S-MAC协议,针对S-MAC协议中虚拟簇边界节点耗能过大问题提出了两种优化机制CS-MAC和BS-MAC:CS-MAC将虚拟簇边界节点的工作周期统一,因而降低了边界节点的能耗,延长了整个网络的生存周期。BS-MAC以跨层的思想,将MAC层消息包中加入参数TS作为分簇路由协议中簇头选举的参考值,经过此机制,整个网络能耗更加均衡,降低了部分节点的过早死亡现象,间接延长了网络生存周期。   最后,本文通过模拟仿真软件NS2对上述两种改进后的算法进行了仿真验证。与原有的S-MAC协议相比,改进后的算法明显降低了虚拟簇边界节点的能耗,提高了网络生存时间。同时,本文在硬件平台上模拟了S-MAC中信道竞争、侦听休眠机制。
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