支持移动传感器网络的MAC协议研究

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无线传感器网络中的节点通常被认为是静止的,而实际应用往往对传感器节点有移动性需求。进一步的研究指出,通过对移动节点的有效支持能够提升网络性能和扩大传感器网络的应用范围。然而,以往的无线传感器网络MAC协议很少考虑对节点移动性的支持,作为保证网络高效通信的关键技术,设计适用于移动传感器网络的MAC协议有重要的理论价值和现实意义。SMAC协议是被广泛认可的一种典型传感器网络MAC协议,它采用的低占空比技术能有效降低网络能耗。目前已经有相关研究在SMAC的基础上,改进并提出了一些移动传感器网络MAC协议,但这些协议对移动性的支持仍然不足。本文在研究SMAC协议及其改进方案的基础上,对能量高效的移动传感器网络MAC协议设计问题展开研究。首先,本文从理论上分析了SMAC协议的工作机制,结合网络模拟实验分析了SMAC协议在移动应用中的具体性能表现,并指出它对移动性支持较差的主要原因,是由于SMAC协议中节点的正常通信需要保持休眠调度的同步,而节点在移动过程中却不能及时获得所需的调度。其次,根据上述对SMAC协议的分析结论,本文结合相关研究中有效的协议设计思路,提出基于SYNC的调度动态调整方法,以改进SMAC协议原有的休眠同步机制,并在此基础上设计了适用于移动传感器网络的SMAC_M协议。在节点静止情况下,该协议同SMAC协议的工作方式相同;但在节点移动情况下,该协议通过SYNC消息进行节点状态信息的交互,根据相应的算法进行移动节点探测、陌生调度发现以及无用调度的丢弃,从而使移动节点及时与周边节点实现休眠同步,并消除移动节点对网络中其它节点休眠同步的干扰。最后,本文用C++实现了SMAC_M协议的关键算法,并在网络模拟软件NS2中添加了该协议。通过模拟实验对分别采用SMAC_M协议、SMAC协议和IEEE 802.11协议时的网络性能进行比较,结果表明:在节点移动情况下,与SMAC协议相比,该协议有效降低了数据传输时延和丢包率;在数据负载量较小情况下,该协议在时延和丢包率上的性能与802.11较为接近,但所需消耗的能量更少。
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