面向异构数据的无线体域网节能MAC协议设计
本文选题：无线体域网 切入点：MAC协议 出处：《山东师范大学》2017年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：在无线传感器网络研究中,体域网是当今发展的一大趋势,无论是在远程医疗还是健康监护等领域,都有着广阔的市场前景。无线体域网(WBAN,wireless Body Area network)是由一系列低功耗、微型化、轻量级、可置于人体表面的或植入人体内、可提供实时数据、具备无线通信能力的传感器节点组成的网络。在医疗、体育、国防和娱乐等领域具有非常好的应用前景。WBAN与我们传统的传感网有较大差异。WBAN的传感器节点通常由电池来供能,其能量很是有限,尤其对植入人体内部传感器来说不易更换电池和充电。所以,如何降低节点功耗,延长网络运行时间成为了WBAN首要的目标。在无线体域网中,MAC(Media Access Control,MAC)协议控制传感器节点使用无线信道的方式,为节点分配无线信道资源,对WBAN性能有巨大影响。设计一个节能MAC协议,对提高WBAN性能有巨大的现实意义。本文介绍了WBAN的研究背景、现状、意义以及当前面临的挑战。解析了WBAN的系统架构、特性及关键技术,总结了WBAN的节能策略。重点对MAC层接入协议进行了分析,分析了引起MAC层能耗的主要原因。对现有的MAC协议进行了分类总结,并对典型的MAC协议进行了剖析和比较。详细阐述了IEEE 802.15.4 MAC层协议。在WBAN中传感器产生的不同业务在传输中具有不同的QoS需求。无线体域网传感器节点产生业务具有异构性,根据这些异构数据的特性,提出了一种基于优先级的高能效节能MAC协议。为保证传感器节点产生的紧急数据优先传输,协议将数据分为5个不同的等级。该协议改进了超帧结构,首先在时隙的CFP阶段引入了一个微时隙,该微时隙是保证紧急数据包的请求以高效的方式发送到协调器。其次,还开发了一个高效的算法来抢占时隙便于优先级高的数据包传输。本文详细介绍了该协议的操作流程,优先级退避策略,时隙的分配策略,紧急业务的处理方式及时隙抢占策略等。本文提出的P-MAC协议在优先级分配、时隙分配和紧急业务的处理等方面进行了改进,满足了无线体域网传感器节点业务传输的要求。本文主要借助OMNeT++仿真平台,对本文所提出的一种基于优先级的MAC协议进行仿真,选择IEEE802.15.4 MAC协议及学者提出的McMAC协议进行对比。结果表明,本文所提出的一种基于优先级的高能效MAC协议在网络能量消耗、数据传输延时性、协议操作开销和数据发送效率等方面具有一定的优势。
[Abstract]:In the research of wireless sensor network (WSN), body area network (WLAN) is a trend of development. It has a broad market prospect in the field of telemedicine and health monitoring. WLAN (Wireless Body Area Network) is made up of a series of low power consumption, miniaturization, etc. Lightweight, can be placed on the surface of the human body or implanted in the human body, can provide real-time data, wireless communication capabilities of sensor nodes in the network. There are great differences between WBAN and our traditional sensor networks. WBAN sensor nodes are usually powered by batteries, and their energy is very limited. In particular, it is not easy to replace the battery and charge the sensor implanted in the body. So, how to reduce the power consumption of the node, Extending network running time has become the primary target of WBAN. In wireless body area network (WLAN), MACU Media Access Control (MAC) protocol controls the way sensor nodes use wireless channels, and assigns wireless channel resources to nodes. The design of an energy-saving MAC protocol is of great practical significance to improve the performance of WBAN. This paper introduces the research background, current situation, significance and challenges of WBAN, and analyzes the system architecture of WBAN. Characteristics and key technologies, summarized the energy-saving strategy of WBAN, analyzed the access protocol of MAC layer, analyzed the main causes of energy consumption in MAC layer, and summarized the existing MAC protocol. The typical MAC protocol is analyzed and compared. The IEEE 802.15.4 MAC layer protocol is described in detail. Different services generated by sensors in WBAN have different QoS requirements in transmission. According to the characteristics of these heterogeneous data, a priority-based energy-efficient and energy-saving MAC protocol is proposed to ensure the priority transmission of emergency data generated by sensor nodes. The protocol classifies the data into five different levels. The protocol improves the superframe structure by first introducing a micro slot in the CFP phase of the slot, which ensures that requests for emergency packets are sent to the coordinator in an efficient manner. In addition, an efficient algorithm is developed to preemptively occupy time slots for high priority packet transmissions. This paper introduces the operation flow of the protocol, priority Backoff strategy, slot allocation strategy in detail. The P-MAC protocol proposed in this paper has been improved in priority allocation, slot allocation and emergency service processing. It meets the requirement of wireless body area network sensor node service transmission. In this paper, a priority based MAC protocol is simulated with the help of OMNeT simulation platform. The IEEE802.15.4 MAC protocol and the McMAC protocol proposed by scholars are compared. The results show that a high energy efficiency MAC protocol based on priority is used in network energy consumption and data transmission delay. Protocol operation overhead and data transmission efficiency have some advantages.
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212.9;TN92
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，本文编号：1644840
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