无线传感器网络低占空比MAC协议研究

无线传感器网络因其巨大的应用前景,已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支.恰当的通信协议对降低无线通信能耗、延长网络寿命具有重要的意义.低占空比MAC(媒体接入控制)协议通过节点的休眠机制,大大降低了通信模块的空闲监听能耗.本文对其中的典型协议进行了分析比较,给出了进一步的研究方向.     

DRAD:一种基于异步休眠调度的无线传感器网络数据收集协议

数据收集是无线传感器网络的基本功能之一,被大量应用到环境监测。如何降低网络能耗、延长网络生命周期是环境监测中数据收集的首要问题。大多数应用都选择使用休眠调度,通过监听空闲侦听的时间来节省能量,而这通常是在MAC层进行。本文则在网络层路由中考虑休眠调度的影响,将路由和休眠调度综合起来考虑,提出了一种基于异步休眠调度的无线传感器网络数据收集协议DRAD。DRAD通过异步休眠调度避免了时间同步的消耗,节点只需维护与邻居节点间的时间差,通过顺带时间差修正机制解决时间偏移问题,降低了能量开销。实验用占空比来衡量系统能量消耗,结果显示DRAD可以稳定在预先设定的占空比,有效降低网络能耗,延长网络寿命。     

矿用终端节点能耗研究

通过分析CC2530的低功耗模式以及基于ZigBee协议的Z-Stack协议栈的休眠与唤醒机制,设计了一种基于CC2530的矿用无线传感器网络终端节点。采用基于福禄克万用表测量的实测方法,测试该终端节点的能耗,得出结论:终端节点与协调器建立连接时消耗的电流最大,在休眠与唤醒模式下电流消耗较小;终端节点的平均工作电流受发射功率影响较小;终端节点的休眠周期直接影响电流消耗,周期越长,则能耗越低。     

一种新型基于分簇的能量高效数据收集和融合协议

提出一种能量高效的数据收集和数据融合协议(CEDGAP),它基于分簇路由机制,在网络分簇形成之后加入了簇内节点度的控制机制,网络中将会产生一定数量的休眠节点和休眠区域,在数据传输阶段,这些休眠节点不发送数据,它们与处于同一休眠区域的节点在不同轮次间交替被唤醒并往簇头发送数据.文章分析了CEDGAP的影响因素以及协议的时间复杂度.NS-2仿真结果显示,与LEACH相比,CEDGAP提高了网络能耗负载均衡性能,延长了网络生命期.     

PA-MAC:一种被动的异步低占空比无线传感器网络MAC协议

空闲侦听是无线传感器网络能耗的主要原因之一,而占空比机制是减少空闲侦听能量损耗最主要的方法之一.提出了一种新的无线传感器网络异步MAC协议,称为PA-MAC(Passive Asynchronous MAC),即被动异步MAC.PA-MAC通过采用接收方发起数据传输机制、异步占空比机制以及节点唤醒时间估计机制,降低了节...     

基于非饱和负载的802.15.4网络能耗分析

为了优化802.15.4 MAC协议能耗性能,提出了一种基于退避时提前休眠的时隙CSMA/CA机制,并建立了该协议的Markov链模型。然后使用M/G/1排队系统理论对非饱和网络负载建模,并对协议主要参数进行了数学推导。最后基于该模型对网络节点能耗进行数值分析。理论分析和仿真结果表明,该模型较好的描述基于非饱和负载的802.15.4 MAC协议,网络节点能耗得到有效改善。     

基于多条件休眠的802.15.4网络能耗优化方法

针对802.15.4网络能耗优化问题,提出了一种基于多条件休眠模式的媒体接入控制(MAC)层信道接入机制.首先,建立该机制的马尔可夫模型;然后,基于模型对网络主要状态的稳态概率和协议参数进行推导;其次,分析了节点在每个超帧内的平均能耗;最后,研究了数据包到达率、退避次数、超帧指数和最小退避指数对节点主要状态的稳态概率、能耗和节点生存时间的影响.实验结果表明,与节点无休眠态的802.15.4网络相比,节点能耗降低了84.4%左右;与部分条件休眠的方法比较,节点能耗平均降低了62.8%,网络存活时间平均提高了70%.模型较好地描述了提出的网络信道接入机制,合理的网络参数设置能够优化网络能耗性能,也为无线传感器网络(WSN)的实际应用提供能耗优化参考.     

基于用户访问特征的云存储副本动态管理节能策略

针对云计算环境下服务器利用率低、能耗浪费严重的问题,提出一种基于用户访问特征的云存储副本动态管理节能策略。通过把用户访问特征的研究转化为计算Block的访问热度,根据节点的整体访问热度,DataNode主动申请休眠从而达到节能的目的。给出了详细的休眠申请、休眠判断算法,以及在DataNode休眠期间出现对已休眠Block进行访问的情况时如何处理的解决方案。实验结果表明,采用该策略后可休眠29%~42%的DataNode,减少能耗31%,且服务器的用户响应时间不受影响。经过性能分析,得出该策略在保证数据可用性的同时可有效地降低能耗。     

一种动态能量感知的节点休眠调度算法

为减小低占空比无线传感器网络（LDC-WSN）中端到端的休眠延迟和均衡能量负载,提出了一种动态能量感知的节点休眠调度算法（DESS）,该算法通过感知节点剩余能量的动态变化,自适应地增加苏醒时隙的次数,用以平衡网络中节点的能量消耗。仿真结果表明,与同类算法的LES和TOSS相比,DESS在休眠延迟以及能源消耗等方面带来明显的性能提升,有效地延长网络的生命周期。     

基于RFID和低占空比机会路由协议的冷链物流监控系统设计

针对现有冷链物流监控系统往往侧重于系统软硬件设计或仅对感知层获取的数据进行压缩融合处理,没有考虑到可靠、节能和短路径路由协议的设计,设计了一种基于RFID和低占空比机会路由协议的冷链物流监控系统;首先给出了系统总体结构框图,并对各组成部分即RFID标签,标签阅读器、节点和汇聚节点均进行了硬件设计,然后,设计了一种基于低占空比休眠机制的机会型路由协议,通过汇聚节点广播Hello数据包确定数据传输方向和邻居候选节点集,在此基础上进一步通过预测候选节点在某时刻的状态来确定是否为最终的候选节点获得转发机会;通过部署实验进行测试,结果证明文章设计的系统能实时有效地对冷链物流系统进行有效监控,较其它方法,具有数据传输路径短、数据包到达率高和数据延时短的优点,具有较大的优越性。     

一种新颖的无线传感器网络的MAC协议

通过对MAC协议运行原理、具有的优缺点、目前所存在的问题以及网络中信道接入机制和能效问题进行分析的基础上,给出一种侦听/睡眠和CDMA相结合的混合MAC协议,此协议采用周期性侦听/睡眠机制和CDMA技术来保证数据的流畅传输,从而实现能量的有效利用。最后,利用仿真软件NS2证明新方法的优越性和高效性。     

基于数据重排序的无线传感器网络低延时节能MAC协议

节能,是无线传感器网络最关注的问题之一.让节点进行周期性的侦听与睡眠是一种常用的节能机制.但是,这种节能机制在数据报的传输过程中会引入较长的端到端延时,而且延时与整个周期的长度成正比.提出了一种应用于无线传感器网络的低延时的节能MAC协议:RLL-MAC.该协议在S-MAC/AL(S-MAC with Adaptive Listening)的基础上,增加了数据报重排序机制,即能够根据各个节点工作周期的时序关系,动态的调整数据报的发送次序,从而减少数据报的端到端延迟.通过理论分析和仿真实验表明,与S-MAC/AL相比,RLL-MAC在保持低能耗的同时,极大的降低了端到端延迟.     

多个无线传感器网络中节能MAC协议设计

在无线传感器网络中,媒体访问控制(MAC)层协议影响着整个网络的性能。根据无线传感器网络对节点能耗和时延的要求,本文提出了一种基于跨层设计的节能MAC协议。利用物理层、MAC层和路由层之间的信息交互,在保证可靠通信的基础上,实现在一个监听/睡眠周期内数据多跳传输,缩短数据传输时延,并且有效控制网络数据传输的冗余度,降低冗余节点能量消耗。性能分析和仿真结果表明,节能MAC协议能够有效地降低网络时延并且减少节点能耗。     

An energy-efficient,transport-controlled MAC protocol for wireless sensor networks

In wireless sensor networks (WSNs), one major cause of wasted energy is that the wireless network interface is always on to accept possible traffic. Many medium access control (MAC) protocols therefore adopted a periodic listen-and-sleep scheme to save energy, at sacrifice of end-to-end latency and throughput. Another cause is packet dropping due to network congestion, necessitating a lightweight transport protocol for WSNs. In this paper, we suggest a transport-controlled MAC protocol (TC-MAC) that combines the transport protocol into the MAC protocol with the aims of achieving high performance as well as energy efficiency in multi-hop forwarding. Although TC-MAC also works through a periodic listen-and-sleep scheme, it lowers end-to-end latency by reserving data forwarding schedules across multi-hop nodes during the listen period and by forwarding data during the sleep period, all while increasing throughput by piggybacking the subsequent data forwarding schedule on current data transmissions and forwarding data consecutively. In addition, TC-MAC gives a fairness-aware lightweight transport control mechanism based on benefits of using the MAC-layer information. The results show that TC-MAC performs as well as an 802.11-like MAC in end-to-end latency and throughput, and is more efficient than S-MAC in energy consumption, with the additional advantage of supporting fairness-aware congestion control.     

基于唤醒的WSN的MAC协议改进与实现

为节约节点能耗,获得更长的生命期,很多无线传感网络的MAC层协议引入了周期睡眠方式。在节点周期睡眠时,如何实现节点间的通信是研究的焦点。基于睡眠唤醒机制的异步MAC协议是解决方法之一,其在低负载时具有较好的节能效果。在此类MAC协议基础上,针对数据汇聚型应用场合进行改进。通过分析和实验表明,该改进既降低了能耗,又改善了延时性能。     

移动自组网节能自适应分级功率调控技术研究

针对移动自组网的节能问题,提出基于接收信号强度的链路层分级功率控制方法,通过在通信双方的物理层和链路层添加针对接收数据包的处理功能,应对特定的信道状况和通信状况采用合适的发送功率进行通信,使数据包的接收功率处于合理的范围,并采用睡眠机制应对同步通信之间的干扰,确保实现良好的通信性能。通过NS-2环境下的仿真实验,分析了该功率控制方法在能量节省和网络性能提升上的有效性。     

一种容迟移动传感器网络的MAC协议

根据容迟移动传感器网络中节点的能量消耗和传输延迟特性,提出一种减少能量消耗的媒体接入控制协议(ESMAC协议)。通过实验证明,依靠在MAC协议的帧结构中加入模式判别标识,减少了节点由于串音和竞争引起的能量消耗;通过节点发送的寻访报文,减少了由于空闲侦听引起的节点能量消耗,延长了网络的生命周期。     

无线传感器网络MAC协议研究

针对S-MAC协议节点能耗均衡能力的不足,提出一种基于网络能耗均衡的跨层优化协议(BS-MAC)。在该机制中,增加变量TS,用来记录该节点成为虚拟簇边界节点的次数,通过与邻居节点比较TS的大小进行自适应睡眠/侦听。在路由层成簇算法中加入参数TS,跨层调节节点能耗的均衡。仿真数据显示,BS-MAC在能耗和延迟方面较S-MAC没有大的变化,但能够提高网络节点能耗的均衡性,降低节点死亡率,延长网络生存周期。     

无线传感器网络BMAC协议的研究与改进

BMAC(Berkeley Media Access Control)基于CSMA的无线传感器网络(WSN)异步MAC协议,它采用了低能量侦听(Low Power Listening,LPL)和扩展前导技术实现低功耗通信。但是其长前导对信道的占用,使得相邻节点无法进行数据传输,极大降低了信道利用率。基于BMAC协议的运行机制提出了一种改进方案,该方案能够利用优化的邻居周期表和改进的带有间隙的前导载波帧序列技术结合,进一步缩短了前导载波,减小了网络能量损耗,增强了信道利用率,最终达到了节能的目的。NS-2仿真结果表明,改进后的协议在传输时延和网络能耗上均优于BMAC协议,实现了协议的高效性。     

应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC协议

为保证监控桥梁任务的实时性,提出了一种多优先级多信道的无线传感器网络MAC(MPMC-MAC)协议。MPMC-MAC协议结合节点接收的数据类型和节点发送信息频率为其分配优先级,再根据优先级及信道状况对节点进行信道分配,以确保优先级高的节点优先发送数据。当信道冲突或节点通信受到干扰导致信息需要重传时,采用信道再分配技术。该技术主要根据节点的优先级、节点的剩余能量及其重传次数重新对节点分配信道,保证了信道分配的公平性。另外,该协议通过动态调整节点的活跃周期和睡眠周期的时长以节省能量,并减少传播时延。仿真结果表明,MPMC-MAC协议在网络吞吐量、平均传播时延以及节点的能量消耗等性能方面均优于Hybrid MAC(HyMAC)、Zebra MAC(ZMAC)及IEEE802.15.4 MAC协议。