無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的改進(jìn)和仿真.pdf_第1頁(yè)
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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)綜合性的跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域,在外層空間探索、軍事監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生醫(yī)療等方面都具有較好的應(yīng)用前景。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電,而且電池很難更換,具有能量受限的特點(diǎn),從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命顯得尤為重要。而媒體訪問控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層,主要功能是控制節(jié)點(diǎn)對(duì)共享通信介質(zhì)的訪問,對(duì)能耗、吞吐量以及時(shí)延等性能有較大影響。S-MAC協(xié)議作為無線

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本的MAC協(xié)議,具有能耗低、擴(kuò)展性高等很多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用十分廣泛,但是S-MAC協(xié)議仍存在許多不足:在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化較大時(shí)存在能耗和時(shí)延的矛盾;采用的BEB退避算法在節(jié)點(diǎn)沖突后的退避過程中容易產(chǎn)生捕獲效應(yīng),吞吐量和公平性較差;沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡問題。本文針對(duì)S-MAC協(xié)議的上述問題,對(duì)S-MAC協(xié)議進(jìn)行理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
  首先,推導(dǎo)分析S-MAC協(xié)議周期性偵聽/睡眠機(jī)制下的平均時(shí)延,推得當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化時(shí),

3、傳輸時(shí)延變大或出現(xiàn)較多空閑偵聽,分析參考D-MAC(Data-gathering MAC)和DS-MAC(Dynamic Sensor MAC protocol)協(xié)議的偵聽/睡眠調(diào)整機(jī)制,利用節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列發(fā)送率來計(jì)算占空比的調(diào)整幅度以適應(yīng)負(fù)載的變化,減少空閑偵聽和降低傳輸時(shí)延。其次,使用馬爾可夫鏈模型分析S-MAC協(xié)議的退避機(jī)制,推得針對(duì)特定節(jié)點(diǎn)數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),只要保持合適的競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW,就會(huì)使傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和公平性有較好的表現(xiàn)

4、,分析MIMLD(Multiplicative Increase Multiplicative Decrease and Linear Decrease)算法在Ad Hoc自組網(wǎng)中的應(yīng)用,將該算法應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,并利用Cali提出的估測(cè)最大吞吐量競(jìng)爭(zhēng)窗口值的算法計(jì)算MIMLD算法中區(qū)分無線信道競(jìng)爭(zhēng)程度的閾值,以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化時(shí)分組碰撞帶來的重傳,降低傳輸時(shí)延。再次,從延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的出發(fā),限制不同能量節(jié)點(diǎn)退避時(shí)間(backo

5、ff time)的取值范圍,平衡節(jié)點(diǎn)負(fù)載,以避免一些節(jié)點(diǎn)較早耗盡能量影響傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命。最后,綜合上述對(duì)S-MAC協(xié)議的研究分析,本文提出了基于負(fù)載均衡的流量自適應(yīng)動(dòng)態(tài)退避S-MAC協(xié)議(AdaptiveDuty Cycleand Dynamic BackoffSMACbased on Load Balance,ADBS-MAC),ADBS-MAC協(xié)議能夠更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化,提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)吞吐量,有效避免節(jié)點(diǎn)間的沖突,降低能耗和

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