一种低功耗MAC层协议研究与实现

发布时间：2017-07-02 10:19

  本文关键词：一种低功耗MAC层协议研究与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络应用在环境监测,工业控制,养殖业生产等各个领域,具备广阔的发展前景。而无线终端传感节点的能量往往是不易补给的,故能量高效是其重点研究内容。无线传感器网络中的介质访问控制层(MAC)在优化能量消耗中具有重要的地位。同时,由于无线终端传感节点增加可移动性,使得网络拓扑结构发生剧烈变化,给传统无线传感器网络带来新的挑战。因此,研究一种能够适应无线终端传感节点可移动性,降低整体功耗,延长网络寿命的实用性MAC层协议有着积极的意义。本论文针对无线传感器网络中具备可移动特性的无线终端节点在接入网络前存在无效监听网络问题,设计并实现一种基于唤醒射频接收器触发接入网络并适应无线终端节点可移动特性的低功耗MAC协议。概述8种静态无线传感器网络和6种动态无线传感器网络下的MAC协议内容并简要分析其优劣势。对3种采样工作流程和2种接入网络机制建立可对比量化的数学模型,得到缓冲采样比连续采样和间歇采样方式节省更多能量,而唤醒射频接收器机制相比传统占空比机制能够实现更低功耗。设计MAC协议在申请接入网络,上传数据和退出网络时的负载分帧结构,配置WUR产生唤醒信号的工作模式。描述无线传感节点在9个工作状态转换关系,并重点叙述其中两个状态转换图:入网申请和数据通信。从实验室理想环境和实际应用场景这两方面对基于唤醒射频接收器的MAC协议进行实例研究。搭建实验室理想模拟环境,使用专业仪器仪表测量无线传感节点的能量消耗数据指标。对比六种不同组合工作模式组成的对照实验结果,得出使用本MAC协议的无线传感节点能够提供正常工作服务的理论年限是3.58年。将该MAC协议投入奶牛健康监测系统的实际生产实践中进行检验,通过分析数据传输通信日志,侧面反映MAC协议的网络性能和无线传感节点的能量消耗情况。从收包率、吞吐率、时延、公平性和电池能量消耗这五个方面分析226天内接收到由104个无线传感节点发出的343356条MAC报文信息。其中93.26%无线传感节点的收包率中位数达到100%,无线传感节点在三种状态下的输出电压一阶差分值在±20毫伏内波动。综上所述,本MAC协议的网络性能良好,适应可移动特性的无线传感节点,且具备低功耗属性。同时本MAC协议具备一定的实用性,能够为畜牧业信息化提供应用实践借鉴。
【关键词】：无线传感器网络 可移动性 MAC协议 低功耗 唤醒射频接收器
【学位授予单位】：华南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 引言8-16
• 1.1 研究意义8-9
• 1.2 研究背景9-11
• 1.3 研究现状11-15
• 1.3.1 无线传感器网络的研究现状11-12
• 1.3.2 移动定位研究现状12-14
• 1.3.3 无线传感器网络应用在畜牧业的研究现状14-15
• 1.4 本论文组织安排15-16
• 2 WSN中MAC协议及其相关技术介绍16-28
• 2.1 无线传感器网络中SN固定的MAC协议16-17
• 2.2 无线传感器网络中SN可移动的MAC协议17-21
• 2.3 唤醒射频接收器介绍和分析21-25
• 2.3.1 WUR的主要特征和传输模型21-22
• 2.3.2 唤醒射频接收器的调制技术22-23
• 2.3.3 WUR机制和DC机制的对比23-24
• 2.3.4 WUR的应用范围24-25
• 2.4 电池能量模型25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 SN及其接入网络机制的能量消耗模型28-36
• 3.1 SN的能量模型28-31
• 3.2 接入无线网络机制的能量模型31-34
• 3.3 网络性能与降低能量消耗分析34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 基于WUR的MAC协议设计36-46
• 4.1 分帧结构36-41
• 4.2 WUR产生唤醒信号41-43
• 4.3 协议的流程描述和状态转换43-45
• 4.4 本章小结45-46
• 5 在奶牛健康监测应用场景中的实例研究46-66
• 5.1 应用场景描述46-51
• 5.1.1 SN硬件组成简介47-48
• 5.1.2 设置实验参数变量48-49
• 5.1.3 实验室测量结果及分析49-51
• 5.2 应用场景实验结果及分析51-65
• 5.2.1 收包率分析51-53
• 5.2.2 吞吐率分析53-54
• 5.2.3 时延分析54-57
• 5.2.4 公平性分析57-58
• 5.2.5 电池能量消耗分析58-65
• 5.3 本章小结65-66
• 6 总结与展望66-68
• 6.1 论文特色67
• 6.2 不足与改进思路67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-74
• 附录 攻读硕士学位期间取得的与学位论文相关的科研成果74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：509513