WSN中轮询多址与随机多址混合的MAC协议及分簇算法研究

发布时间：2020-06-26 08:07

【摘要】：无线传感器网络(WSN)作为物联网的核心技术,由于其低成本,低功耗和自组织,在各个领域得到广泛应用。然而,由于其成本限制,处理和计算能力弱,并且能量有限,如何使无线传感器网络在能量有限的情况下提高网络分组传输成功率并延长网络生命周期是设计媒体访问控制(MAC)协议时必须考虑的问题。MAC控制着无线信道的分配权,良好的MAC协议能够提升网络的吞吐量,减少能量损耗,降低延时。本文首先对轮询多址和随机多址协议进行了分析研究。通过改造Z-Stack协议栈在CC2530上实现了门限服务、完全服务系统以及随机多址协议的仿真,结果表明方法可行、协议性能指标符合理论值。然后,针对层次型的网络结构,结合轮询机制和CSMA机制设计了一种混合型MAC协议。该协议使用分簇算法将WSN分成两层,簇头根据成员的信息建立轮询表,按照列表顺序轮询成员节点使其获得信道使用权来进行数据传输。簇头采用CSMA机制争用信道向基站传输数据。最后在CC2530搭建的WSN中对所设计的混合型MAC协议进行了硬件仿真,结果表明协议能够正确运行且关键性能指标和理论值一致。最后,为解决WSN能耗不均衡、持续工作时间短、吞吐量低等问题,提出一种基于遗传聚类和混合MAC机制的WSN分簇算法。网络初始化时,所有节点将自身位置坐标上报基站,基站使用遗传算法(GA)优化的FCM形成分簇。首轮选择最靠近簇心的节点担任簇头。从第二轮开始,选举过程参考节点剩余能量、与基站距离、与簇内其他节点的距离三个因子,并根据网络状态实时调整三个因子的权重。仿真结果表明,与同一网络环境下的LEACH和基于K-Means的均匀分簇路由算法(KUCR)相比,本文算法成簇更加均匀,延长了网络生命周期,拥有良好的能量均衡性和更高的吞吐量。
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【图文】：

轮询系统

统关键性能指标与理论一致。逡逑２．１轮询系统逡逑图２．１表示的是ＷＳＮ轮询系统的模型。轮询系统分为三种：完全服务、门限逡逑服务、限定服务［３９，４（）］。完全服务的过程是服务器不仅需要完成当前站点中存在的信逡逑息分组的服务，还需要服务过程中进入站点的信息分组，直到当前站点中不存在信逡逑息分组。门限服务仅服务站点中存在的信息分组，服务过程中到达的信息分组，则逡逑缓存在站点中，等待下一次的服务。限定服务一般指限定（Ｋ＝ｌ）服务，即每一次逡逑轮询到的站点只发送一个信息分组［４１］。逡逑节点１逦节点２逦节点３逦节点Ｎ逡逑一邋＿逦￣￣逦？邋？邋？逦一逡逑１逦Ｘ逦Ｘ逦ｉ逡逑Ｔ逡逑汇聚节点逡逑图２．１邋ＷＳＮ轮询系统逡逑在ＷＳＮ中应用分簇算法可以对网络进行层次划分［４２］，一个蔟由两个以上的相逡逑邻节点构成，将每簇的其中一个节点作为领导者称为簇头，其主要职责是收集簇内逡逑传感器节点监测的数据，对数据加工处理，然后由其将加工后的数据发送给

协议模型,时隙

＼－Ｎｐ逦＼邋—邋Ｎ邋ｐ逡逑限定（Ｋ＝Ｉ）服务系统的平均时延为：逡逑譬穿＋２［卜N神，逦（２．９）逡逑＋邋２Ｎｙｐ邋＋邋｛ＮＸｙ邋＋逦／邋Ａ２邋＋邋ＮａＢ邋（１）邋＋邋＾＾＂（ｌ）］逡逑２．２随机多址协议逡逑时隙式ＡＬＯＨＡ协议将时间划分成为长短一致的时间间隙，站点只能够在每逡逑个时隙的开始发送信息分组，虽然发送分组是随机的，但是有了时隙的统一限制，逡逑信息分组不能完全任意发送。出现碰撞则会完全碰撞，减小了碰撞时隙的长度，从逡逑而提高了协议的分组发送成功率。逡逑对于ＷＳＮ，时隙式ＡＬＯＨＡ协议的模型如图２．２所示。Ｓｉｎｋ进行时间同步，逡逑在每个时隙的开始每个节点都可以发送数据，当两个以上的节点在同一个时刻开逡逑始发送数据，就会百分之百的重叠碰撞，导致信息发送失败。逡逑

【参考文献】