无线传感器网络面向低功耗的MAC协议及跨层优化研究
发布时间：2021-08-04 19:26
随着无线传感器网络在入侵监测、目标跟踪、工业自动化以及智慧建筑等领域的广泛应用,对无线传感器网络性能指标的要求越来越高。通常,传感器网络是由大量微型廉价的传感器节点组成,且这些节点一般采用电池供电能量受限,而无线通信是传感器节点主要的能量消耗方式。因此,为了延长传感器节点的使用寿命,节点需要在绝大多数的时间处于休眠状态,只在需要发送数据或者接收邻居节点的数据时才唤醒,访问无线信道进行数据通信。这种周期性休眠唤醒的低功耗工作模式,对无线信道的分配以及通信的可靠性、复杂性和能量效率带来了极大地挑战。本文重点研究无线传感器网络中面向低功耗的介质访问控制MAC（Medium Access Control）协议以及相应的跨层优化机制,旨在合理地分配有限的无线信道资源,提高数据通信的可靠性,同时最优化网络传输路径,降低网络的传输时延。为了解决网络中节点通信时所产生的能量浪费问题,本文首先提出了一种基于预测唤醒机制的单信道MAC协议PBA-MAC（Prediction-Based Asynchronous MAC protocol）。该协议采用简单的伪随机序列生成算法,保证邻居节点间能够准确地推导出...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
英文缩略语
第一章 绪论
1.1 论文研究背景
1.1.1 无线传感器网络的体系结构
1.1.2 本文研究意义
1.2 无线传感器网络MAC协议
1.3 无线传感器网络跨层优化机制
1.4 本文的主要研究内容
1.5 论文的组织
第二章 国内外研究现状
2.1 无线传感器网络的MAC协议
2.1.1 同步MAC协议
2.1.2 异步MAC协议
2.1.3 多信道MAC（Multi-channels）协议
2.2 无线传感器网络跨层优化机制
2.2.1 最大化网络寿命（Cross-Layer Network Lifetime Maximization）
2.2.2 最小化传输时延（Cross-Layer Packet Latency Minimization）
2.3 本章小结
第三章 基于预测唤醒机制的单信道MAC协议
3.1 伪随机唤醒策略
3.2 基于预测唤醒的重传机制
3.2.1 单节点的丢包重传
3.2.2 多节点的碰撞重传
3.3 预测误差
3.3.1 预先唤醒等待策略
3.3.2 单信道指数恢复算法
3.4 伪随机预测唤醒算法
3.5 PBA-MAC协议的性能分析
3.5.1 预先唤醒等待策略
3.5.2 星型网络下协议的性能评估
3.5.3 多跳网络下协议的性能评估
3.6 本章小结
第四章 基于预测唤醒机制的多信道MAC协议
4.1 多信道MAC协议
4.1.1 多信道资源的使用方式
4.1.2 多信道MAC协议拟解决的关键问题
4.2 PM-MAC协议
4.2.1 伪随机序列生成算法
4.2.2 可预测状态信息
4.3 动态信道切换机制
4.3.1 多信道检测
4.3.2 多信道同步
4.4 节点发现
4.4.1 动态时间补偿机制
4.4.2 唤醒侦听窗口
4.4.3 消失节点问题
4.4.4 多信道指数恢复算法
4.4.5 预测状态重置机制
4.4.6 PM-MAC协议核心算法
4.5 PM-MAC协议的性能分析
4.5.1 实验参数设置
4.5.2 多信道同步性能评估
4.5.3 多跳网络下协议的性能评估
4.5.4 PM-MAC协议在大规模无线传感器网络下的性能
4.6 本章小结
第五章 基于跨层优化的低功耗数据分发方法
5.1 低功耗数据分发方法
5.1.1 基于跨层优化的路由发现机制
5.1.2 基于跨层优化的自适应网络编码机制
5.2 基于跨层优化的路由发现机制
5.2.1 时延选择优化
5.2.2 唤醒选择优化
5.2.3 应答更新优化
5.2.4 动态退避优化
5.3 跨层优化机制的性能评估
5.3.1 基于跨层优化的自适应网路编码机制
5.3.2 基于跨层优化的路由发现机制
5.4 本章小结
第六章 结束语
6.1 本文工作总结
6.2 下一步研究方向
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]低占空比无线传感器网络同步MAC协议最优信标间隔分析[J]. 邢宇龙,陈永锐,易卫东,段成华. 计算机研究与发展. 2016(09)
[2]基于竞争与TDMA的低时延无线传感器网络MAC协议[J]. 杜敏,黄剑,石为人,李洪兵. 传感器与微系统. 2014(10)
[3]面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 钱志鸿,王义君. 电子与信息学报. 2013(01)
[4]一种无线传感器网络中基于信道可靠性的多信道MAC协议[J]. 肖榕,蒋铃鸽,何晨. 上海交通大学学报. 2012(09)
[5]面向异步通信机制的无线传感器网络及其MAC协议研究[J]. 胡玉鹏,林亚平,周四望,刘永和. 计算机学报. 2011(08)
[6]一种自适应侦听的异步无线传感器网络MAC协议[J]. 陈德富,陶正苏,朱建平. 电子与信息学报. 2011(06)
[7]无线传感器网络中基于服务质量管理的多目标优化控制[J]. 韩安太,彭慧,李剑锋,游来健. 传感技术学报. 2011(04)
[8]基于区分服务的无线传感器网络跨层QoS体系结构[J]. 晏鳌,白光伟,江晶晶. 微电子学与计算机. 2011(04)
[9]PA-MAC:一种被动的异步低占空比无线传感器网络MAC协议[J]. 唐震洲,施晓秋,金可仲. 传感技术学报. 2011(03)
[10]基于带状区域路由的无线传感器网络QoS协议[J]. 程真,李腊元,杨少华,张鹏. 计算机科学. 2010(02)
博士论文
[1]无线传感器网络多信道通信技术的研究[D]. 秦绍华.山东大学 2014
[2]高能效低延迟无线传感器网络介质访问控制协议研究[D]. 唐宏伟.国防科学技术大学 2013
[3]基于休眠—唤醒机制下无线传感器网络的建模分析和协同控制[D]. 牟金平.东华大学 2013
[4]无线传感器网络介质访问控制协议关键技术研究[D]. 杨国燕.哈尔滨工程大学 2012
[5]无线传感器网络MAC协议高能效性能研究[D]. 何晨光.哈尔滨工业大学 2011
[6]无线传感器网络中路由协议的跨层设计研究[D]. 周晓芳.中国科学技术大学 2010
[7]面向QoS优化的无线传感器网络跨层协议研究[D]. 纪鹏.东北大学 2009
[8]多信道无线自组网速率控制与信道切换研究[D]. 李昀照.华中科技大学 2008
[9]无线传感器网络QoS体系研究[D]. 杨挺.天津大学 2005
硕士论文
[1]无线传感器网络中提供QoS保证的高效路由协议的研究[D]. 顾伟.南京邮电大学 2014
[2]无线传感器网络中多信道MAC协议的研究[D]. 肖榕.上海交通大学 2012
[3]无线传感器网络MAC协议及跨层优化的研究[D]. 陈国铭.上海交通大学 2008
本文编号：3322270
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
英文缩略语
第一章 绪论
1.1 论文研究背景
1.1.1 无线传感器网络的体系结构
1.1.2 本文研究意义
1.2 无线传感器网络MAC协议
1.3 无线传感器网络跨层优化机制
1.4 本文的主要研究内容
1.5 论文的组织
第二章 国内外研究现状
2.1 无线传感器网络的MAC协议
2.1.1 同步MAC协议
2.1.2 异步MAC协议
2.1.3 多信道MAC（Multi-channels）协议
2.2 无线传感器网络跨层优化机制
2.2.1 最大化网络寿命（Cross-Layer Network Lifetime Maximization）
2.2.2 最小化传输时延（Cross-Layer Packet Latency Minimization）
2.3 本章小结
第三章 基于预测唤醒机制的单信道MAC协议
3.1 伪随机唤醒策略
3.2 基于预测唤醒的重传机制
3.2.1 单节点的丢包重传
3.2.2 多节点的碰撞重传
3.3 预测误差
3.3.1 预先唤醒等待策略
3.3.2 单信道指数恢复算法
3.4 伪随机预测唤醒算法
3.5 PBA-MAC协议的性能分析
3.5.1 预先唤醒等待策略
3.5.2 星型网络下协议的性能评估
3.5.3 多跳网络下协议的性能评估
3.6 本章小结
第四章 基于预测唤醒机制的多信道MAC协议
4.1 多信道MAC协议
4.1.1 多信道资源的使用方式
4.1.2 多信道MAC协议拟解决的关键问题
4.2 PM-MAC协议
4.2.1 伪随机序列生成算法
4.2.2 可预测状态信息
4.3 动态信道切换机制
4.3.1 多信道检测
4.3.2 多信道同步
4.4 节点发现
4.4.1 动态时间补偿机制
4.4.2 唤醒侦听窗口
4.4.3 消失节点问题
4.4.4 多信道指数恢复算法
4.4.5 预测状态重置机制
4.4.6 PM-MAC协议核心算法
4.5 PM-MAC协议的性能分析
4.5.1 实验参数设置
4.5.2 多信道同步性能评估
4.5.3 多跳网络下协议的性能评估
4.5.4 PM-MAC协议在大规模无线传感器网络下的性能
4.6 本章小结
第五章 基于跨层优化的低功耗数据分发方法
5.1 低功耗数据分发方法
5.1.1 基于跨层优化的路由发现机制
5.1.2 基于跨层优化的自适应网络编码机制
5.2 基于跨层优化的路由发现机制
5.2.1 时延选择优化
5.2.2 唤醒选择优化
5.2.3 应答更新优化
5.2.4 动态退避优化
5.3 跨层优化机制的性能评估
5.3.1 基于跨层优化的自适应网路编码机制
5.3.2 基于跨层优化的路由发现机制
5.4 本章小结
第六章 结束语
6.1 本文工作总结
6.2 下一步研究方向
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]低占空比无线传感器网络同步MAC协议最优信标间隔分析[J]. 邢宇龙,陈永锐,易卫东,段成华. 计算机研究与发展. 2016(09)
[2]基于竞争与TDMA的低时延无线传感器网络MAC协议[J]. 杜敏,黄剑,石为人,李洪兵. 传感器与微系统. 2014(10)
[3]面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 钱志鸿,王义君. 电子与信息学报. 2013(01)
[4]一种无线传感器网络中基于信道可靠性的多信道MAC协议[J]. 肖榕,蒋铃鸽,何晨. 上海交通大学学报. 2012(09)
[5]面向异步通信机制的无线传感器网络及其MAC协议研究[J]. 胡玉鹏,林亚平,周四望,刘永和. 计算机学报. 2011(08)
[6]一种自适应侦听的异步无线传感器网络MAC协议[J]. 陈德富,陶正苏,朱建平. 电子与信息学报. 2011(06)
[7]无线传感器网络中基于服务质量管理的多目标优化控制[J]. 韩安太,彭慧,李剑锋,游来健. 传感技术学报. 2011(04)
[8]基于区分服务的无线传感器网络跨层QoS体系结构[J]. 晏鳌,白光伟,江晶晶. 微电子学与计算机. 2011(04)
[9]PA-MAC:一种被动的异步低占空比无线传感器网络MAC协议[J]. 唐震洲,施晓秋,金可仲. 传感技术学报. 2011(03)
[10]基于带状区域路由的无线传感器网络QoS协议[J]. 程真,李腊元,杨少华,张鹏. 计算机科学. 2010(02)
博士论文
[1]无线传感器网络多信道通信技术的研究[D]. 秦绍华.山东大学 2014
[2]高能效低延迟无线传感器网络介质访问控制协议研究[D]. 唐宏伟.国防科学技术大学 2013
[3]基于休眠—唤醒机制下无线传感器网络的建模分析和协同控制[D]. 牟金平.东华大学 2013
[4]无线传感器网络介质访问控制协议关键技术研究[D]. 杨国燕.哈尔滨工程大学 2012
[5]无线传感器网络MAC协议高能效性能研究[D]. 何晨光.哈尔滨工业大学 2011
[6]无线传感器网络中路由协议的跨层设计研究[D]. 周晓芳.中国科学技术大学 2010
[7]面向QoS优化的无线传感器网络跨层协议研究[D]. 纪鹏.东北大学 2009
[8]多信道无线自组网速率控制与信道切换研究[D]. 李昀照.华中科技大学 2008
[9]无线传感器网络QoS体系研究[D]. 杨挺.天津大学 2005
硕士论文
[1]无线传感器网络中提供QoS保证的高效路由协议的研究[D]. 顾伟.南京邮电大学 2014
[2]无线传感器网络中多信道MAC协议的研究[D]. 肖榕.上海交通大学 2012
[3]无线传感器网络MAC协议及跨层优化的研究[D]. 陈国铭.上海交通大学 2008
本文编号：3322270
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3322270.html
