无线传感器网络轮询控制协议分析及OPNET仿真

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无线传感器网络作为一种新型的通信网络,实现了现实世界和人类世界自由联通,成为人们认知和监控物理世界的桥梁,又由于其单一节点通信距离、计算能力和能量供应有限,众多节点以随机投放、自组织形式联接构成网络等不同于以往任何一种网络的特点,成为当今网络通信技术研究的热点。无线传感器网络应用的范围非常广,可以用于智能家居、智能电网、医疗监护、安全高铁等方面。独有的特点和广泛的应用范围导致难以对其形成一个统一合理的标准规范,增加了研究的难度。从上个世纪开始至今,无论是硬件平台应用还是各层协议开发,业界对无线传感器网络的研究从未停止。通信网络中的各层协议是决定数据处理方式和保障可靠传输的关键,而介质访问控制(Media Access Control, MAC)协议位于无线传感器网络体系结构的第二层,负责控制节点使用无线介质的接入方式,成为支撑整个网络实现互通互联的基础。针对不同的应用,为满足不同的需求设计合适的协议,对MAC协议的研究和性能优化成为推动无线传感器网络进一步发展的关键。随着技术的不断进步和研究的深入,许多新的思想和协议加入到了无线传感器网络中,但是由于各种MAC协议对网络性能,优化指标,应用需求的不同侧重点,各种协议存在不同程度的局限和千差万别的效果,一直以来没有一个统一的协议模型和合适的解决方法,对其的研究任重而道远。现在无线传感器网络MAC协议的研究主要分为基于竞争、调度及混合型三种机制。轮询方式作为一类重要的基于调度的信道接入方式早在工业革命时期就已经开始对其进行深入的研究,并且由于其控制方式在公平性、实时性、可靠性等方面的优良性能,使其在工业自动化控制、计算机时分复用、网络通信协议,尤其是通信网络中MAC协议研究等领域得到了广泛的应用。IEEE802.11中的点协调机制(Point Coordinate Function, PCF)就是其在网络通信MAC协议方面的典型应用,为语音、视频等实时性要求较高的数据业务提供更优质的服务和性能。但由于其以往的应用并不是很关注能量耗散问题,所以无法将PCF直接应用在无线传感器网络中。本文对IEEE802.11PCF进行改进,在为节点加入了休眠机制,提出了基于轮询机制的MAC层仿真实验模型S-PCF,并进行了系统建模和网络仿真,仿真结果证明S-PCF大大减小了PCF轮询机制的能量消耗,提高了节点的生命周期。对轮询理论的研究前人已经做了大量的工作和努力,基本上可以分为门限服务、限定(K=1)服务和完全服务三种基本类型,S-PCF是基于轮询控制策略的接入机制,本文对S-PCF建立了数学模型,以嵌入式马尔可夫链和概率母函数为数学工具对协议进行了精确定义和解析,系统模型采用限定(K=1)服务,由一个中心服务器和N个节点组成,其控制过程主要包括三个:节点中信息分组的到达过程、中心服务器的服务过程、节点间的查询转换过程和节点休眠过程。同时计算其一阶特性和二阶特性,得到了系统平均排队队长和平均等待时延等理论结果。之后,利用OPNET仿真平台对仿真实验模型S-PCF进行网络仿真,在网络时延、能量消耗和网络吞吐量三个方面对比分析传统PCF和S-PCF.可以得出引入休眠机制的S-PCF在节能方面明显优于传统PCF,同时由于休眠带来的网络时延很小,两者的网络吞吐量和网络时延基本一致。
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
第一章 绪论第10-15页
    1.1 无线传感器网络MAC协议研究背景及意义第10-12页
    1.2 论文主要研究内容第12-13页
    1.3 论文章节安排第13-15页
第二章 无线传感器网络MAC层协议第15-25页
    2.1 无线传感器网络概述第15-17页
        2.1.1 无线传感器网络架构第15-17页
        2.1.2 无线传感器网络协议栈第17页
    2.2 无线传感器网络MAC层协议介绍第17-25页
        2.2.1 无线传感器网络MAC层协议分类第18-19页
        2.2.2 现有无线传感器网络MAC层协议分析第19-25页
第三章 基于轮询控制的无线传感器网络MAC层仿真实验模型S-PCF分析第25-39页
    3.1 PCF协议简介第26-28页
        3.1.1 PCF控制方式第26-27页
        3.1.2 PCF接入方式第27-28页
    3.2 S-PCF模型描述第28-32页
        3.2.1 S-PCF无线接入过程第29页
        3.2.2 S-PCF控制方式第29页
        3.2.3 S-PCF帧发送过程第29-31页
        3.2.4 S-PCF轮询列表建立与维护第31-32页
    3.3 S-PCF数学模型第32-34页
        3.3.1 系统参量与工作条件第33页
        3.3.2 系统状态方程第33-34页
        3.3.3 系统概率母函数第34页
    3.4 协议性能分析第34-38页
        3.4.1 一阶特性第34-35页
        3.4.2 二阶特性第35-36页
        3.4.3 平均排队队长和平均等待时延第36-38页
    3.5 本章小结第38-39页
第四章 基于OPNET的S-PCF仿真第39-51页
    4.1 无线传感器网络仿真模块介绍第39-48页
        4.1.1 OPNET仿真平台简介第39-40页
        4.1.2 无线传感器网络OPNET功能模块第40-47页
        4.1.3 OPNET仿真参数设置第47-48页
    4.2 仿真结果分析第48-50页
        4.2.2 能耗分析第48-49页
        4.2.3 网络时延分析第49-50页
        4.2.4 网络吞吐量分析第50页
    4.3 本章小结第50-51页
第五章 全文总结第51-53页
    5.1 论文工作总结第51-52页
    5.2 进一步的工作内容第52-53页
附录 攻读硕士学位期间参与项目和成果第53-54页
参考文献第54-57页
致谢第57-58页
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