论文摘要
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是由部署在监测区域内的大量传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中监测对象的信息,并发送给观察者,可广泛应用于环境监测、医疗护理、军事、商业等领域。媒体访问控制（Medium Access Control, MAC）协议处于无线传感器网络协议的底层部分,主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介,对传感器网络的性能有较大影响。与传统无线网络不同,提高能量效率和可扩展性是无线传感器网络MAC协议设计的主要目标。设计和实现满足无线传感器网络要求的MAC协议,具有非常重要的实际意义。本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构、MAC协议的设计要求以及己有的MAC层协议,讨论了无线传感器网络MAC层的主要能量消耗因素。然后详细介绍和分析了S-MAC协议,并在此基础上,通过改进其不足之处提出一种新的适用于无线传感器网络的MAC协议方案。新方案采用了分级的EIED退避算法,提高了节点竞争的公平性;利用上层的路由信息改进了原有自适应监听机制,进一步降低了节点空闲监听的能耗;提出了新的基于路由信息的全局时间表算法（Global Schedule Algorithm, GSA）,与原有算法相比降低了实现的复杂度;采用自适应握手机制提高了短信息的传输效率。最后,在自主设计的传感器网络平台上对所设计的MAC协议进行了具体实现,完成了硬件驱动程序、物理层协议和MAC协议的设计与实现,并设计了多个实验对系统进行了验证和测试。实验结果表明,该协议能满足无线传感器网络低速率应用环境的需要,节能和扩展性等方面性能优良,达到了预期的设计目标,这对于网络通信协议的进一步研究具有较强的实用价值。
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摘要ABSTRACT缩略词表第一章绪论1.1 无线传感器网概述1.1.1 无线传感器网络结构1.1.2 无线传感器网络的特点1.1.3 无线传感器网络的应用1.2 无线传感器网络MAC 协议概述1.2.1 无线传感器网络MAC 协议设计要求1.2.2 MAC 层的能量问题1.2.3 无线传感器网络MAC 协议分析1.3 论文的主要内容第二章 S-MAC 协议2.1 S-MAC 协议基本原理2.2 S-MAC 协议主要机制2.2.1 周期性监听休眠机制2.2.2 消息碰撞减少和串音避免机制2.2.3 长消息传递机制2.2.4 自适应监听机制2.3 S-MAC 协议相关算法2.3.1 退避算法2.3.2 GSA 算法2.3.3 FPA 算法2.4 小结第三章 S-MAC 协议研究与改进3.1 退避算法分析与改进3.2 自适应监听机制分析与改进3.3 基于路由的GSA 算法3.4 握手机制的改进3.5 小结第四章 实验平台及硬件底层驱动设计4.1 CC1010 实验平台介绍4.1.1 处理器及射频模块4.1.2 传感器模块4.1.3 电源模块4.1.4 外围模块4.2 CC1010 通信相关硬件驱动设计4.2.1 CC1010 RF 模块驱动设计4.2.2 ADC 模块驱动设计4.2.3 随机发生器模块驱动设计4.3 小结第五章 改进型S-MAC 协议栈设计与实现5.1 协议栈体系结构5.1.1 物理层5.1.2 MAC 层5.1.3 网络层5.1.4 应用层5.2 CC1010 PHY 层功能实现5.2.1 CC1010 RF 收发器状态维护5.2.2 数据帧的发送5.2.3 数据帧的接收5.2.4 RSSI5.3 MAC 层功能实现5.3.1 MAC 帧结构设计5.3.1.1 控制帧结构5.3.1.2 同步帧结构5.3.1.3 数据帧结构5.3.2 MAC 层数据发送和接收5.3.2.1 MAC 层状态机5.3.2.2 数据发送过程5.3.2.3 数据接收过程5.3.2.4 自适应监听与串音避免5.3.3 网络同步维护的实现5.3.3.1 时间表及邻居表结构5.3.3.2 时间表及邻居表的更新5.3.3.3 全局时间表的实现5.4 小结第六章 系统实验与结果分析6.1 开发工具及测试环境6.2 实验及结果分析6.2.1 物理层数据传输实验6.2.2 MAC 层功能测试6.2.3 碰撞率测试6.2.4 功耗测试6.2.5 组网实验6.3 小结第七章 总结与展望7.1 总结7.2 展望致谢参考文献个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文
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