无线传感器网络MAC层协议改进研究与设计

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在所要监测区域内大量体积小、成本低、具有数据采集、数据处理和数据无线收发能力的传感器节点组成。在WSN中,节点使用能量受限的电池供电,无线收发模块是节点最大的耗能部件,而介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议直接控制着无线收发模块,对节点能耗有重要影响。因此,设计有效的MAC协议,在传感器节点间分配有限的无线通信资源来构建网络的底层基础结构具有重要意义和现实价值。
　　 本文首先分析了无线传感器网络的国内外研究现状、体系结构、特点、应用和关键技术；接着讨论了无线传感器网络MAC协议的设计原则和能耗因素,并重点研究分析了已有的具有代表性的几类MAC层协议以及各MAC协议的工作原理、性能、优缺点及其应用场合；最后针对流量自适应混合MAC协议(Z-MAC)只是单纯地从网络数据流量的冲突情况来调整发送节点的数据发送时隙,而接受节点在整个数据收发过程中一直是处于活动状态的不足,给出一种改进的适合具体WSN应用的MAC协议(ModifledMAC,M-MAC)。协议通过引入广播机制,利用广播帧中的侦听／休眠调度方案,节点被提前通知只在发送或接受数据时才处于活动状态,其他时刻则处于休眠状态。这样能最大限度地避免数据冲突,串音和空闲侦听,使节点在正确的时间接受正确的数据,减少网络能量消耗；与此同时,为了进一步减少节点发送数据时竞争信道引起的冲突,引入自适应调整竞争窗口的退避机制,节点根据数据冲突情况自适应地调整竞争窗口大小来适应网络流量变化,以达到低流量下的快速接入和高流量下的低冲突,保持较高的信道利用率。本文在NS2网络仿真平台上对所设计的协议进行了仿真验证,采用AWK脚本语言完成对仿真生成。Trace文件的数据提取和网络性能指标的统计分析。仿真结果表明,本文在改进Z-MAC协议基础上设计的M—MAC协议在系统时延、平均吞吐量和能量消耗方面有明显改善,这将对无线传感器网络通信协议的进一步研究提供较强的理论依据和实用价值。