无线传感器网络中的MAC协议研究
集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种全新的信息获取和处理技术，是一种新型的无基础设施的无线网络。它作为一个新的领域，对国内外的研究学者提出了大量的挑战性课题。
介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议是一项构成底层基础网络结构的重要技术。在无线传感器网络中，它的主要功能是为数据传输建立连接以及在各网络节点间合理、高效地分配通信资源。传统网络MAC协议的主要目标是在用户公平使用信道资源的前提下，提高吞吐量和带宽利用率，而无线传感器网络系统的特点给MAC协议提出了一些新的要求，包括低能耗、低通信延迟和动态可扩展等。
本文比较分析了近年来针对无线传感器网络所设计的一些MAC协议。当前的一些MAC协议虽然有很多成功之处，但是也存一些问题，这些协议在设计的时候对无线传感器网络模型作了太多的假设。传感器网络的应用环境往往很复杂，很多因素都会使传感器节点偏离原来的位置，从而使已经形成的传感器网络的拓扑结构发生变化使这些协议难以适应。本文对无线传感器网络中的移动性进行了讨论，提出了强移动性与弱移动性的概念并给出了它们的定义。另外，能量是制约传感器网络的主要因素之一，节能成为无线传感器网络各层协议设计首先考虑的因素，但是节能不是无线传感器网络协议设计的全部。对于面向应用的无线传感器网络而言，设计出一种可以满足各方面要求的MAC协议是不现实的，应该针对不同应用的需求，设计相应的MAC协议。在实际应用中，传感器节点发送数据的情况是不同的，因为不同节点产生数据的速率不同，并且数据的缓急程度也不同，为这些情况不同的节点分配相同的时隙显然会降低无线传感器网络的信道利用率和公平性。由于以上原因，我们提出AMAC(Adaptive MAC protocol based on Clustering for Wireless Sensor Networks)协议。
它借鉴了分簇的思想，使用LEACH作为分簇和簇首轮换的机制，综合了基于固定分配类和基于竞争类MAC协议的特点，很好的把它们优势集合在一起。在AMAC协议中，通过簇内成员节点提出申请，簇首节点仲裁的办法使时隙合理分配，避免了传统固定时隙分配而引起的时间上的浪费，进而提高了数据传输的实时性。因为在整个时间帧中的数据传输及仲裁广播部分均采用时隙分配访问方式，所以在该通信过程中不会出现冲突和重传，很好的节省了能量。虽然在随机访问时间内所采取的是基于竞争类的访问方式，会因传输冲突而造成能量损失，然而该段时间在整个时间帧中所占比重较小，不会影响整体的节能效果。同时，对传感器网络进行周期性的重新分簇和簇首轮换可以使节点的能量均衡使用，而不会出现某些节点因过早的能量耗尽而提前死亡，因此延长了无线传感器网络的生存期。仿真结果显示，AMAC协议在节能、实时性、适应性等方面的性能明显高于当前无线传感器网络中的一些其它MAC协议。
无线传感器网络;MAC协议;自适应;实时性;嵌入式计算;介质访问控制
中国海洋大学
硕士
计算机应用技术
郭忠文
2007
中文
TN915.04;TN925.93
61
2007-09-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）