闫沫[1]2007年在《ZigBee协议栈的分析与设计》文中进行了进一步梳理ZigBee技术是一种新兴的短距离无线传感器网络标准。它专注于家庭居住控制、商业建筑自动化和工厂车间管理叁大无线传感器网络市场领域。ZigBee技术标准由ZigBee联盟开发。这是一个由半导体厂商、技术供应商和原始设备制造商加盟的组织。ZigBee技术标准基于IEEE802.15.4低速率无线个人局域网,支持介质访问控制层和物理层标准,并在此之上包含网络层、安全层和应用层。由于ZigBee技术具有低功耗、低延迟、较长电池寿命等特点,它在低速率无线传感器网络中扮演着非常重要的角色。2006年,ZigBee工业市场值达到上亿,其市场前景十分广阔。目前,国外很多大公司纷纷向用户推出ZigBee应用解决方案。ZigBee协议栈是进行用户应用开发的核心软件。对其进行分析与设计具有重要的科研意义和工程参考价值。本文在详细分析了IEEE802.15.4/ZigBee协议标准的基础上,首先介绍了协议栈软件设计的总体架构,然后分章节介绍协议栈网络层、介质访问控制层和物理层的设计。本文在设计中采用了Chipcon公司提供的CC2430DB开发板和IAR公司的IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51软件作为开发环境。
刘晓杰[2]2008年在《无线传感器网络MAC层协议研究》文中研究指明集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,它是一种新型的无基础设施的无线网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络是一种新型的应用型网络,具有十分广阔的应用前景,引起了学术界和工业界的高度重视,成为当前热门的研究领域。美国《技术评论》杂志把无线传感器网被列为未来十项新兴技术之首。《IEEE?Spectrum》杂志预计无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。?无线传感器网络因为不依赖于固定的基础设施,所以网络节点要求具有自组织的能力。一个节点进入工作区域之后,它只能依赖于MAC层和物理层所能提供的有限的机制获得周围的一跳(one‐hop)邻居的信息,对全网的拓扑结构信息将一无所知。这时候需要有一个算法将这些分散的节点有效地组织起来,协调一致来完成某一个特定的任务。在此之上,各种路由协议、传输层协议以及应用程序才能正常运作。也就是说,需要有一个网络协议为上层结构服务,而构成整个无线传感器网络结构基石的就是MAC层协议。本文从无线传感器网络MAC协议角度出发,进行了如下研究:第一部分,分析了无线传感器网络的特点和当前无线传感器网络的研究方向。第二部分,介绍了无线传感器网络的MAC协议及当前的研究现状,分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上的不同点,对已有的MAC协议进行分类,并注重分析了基于竞争的MAC层协议,为设计新的MAC协议打下坚实的基础。第叁部分,引入了功率控制的思想,功率控制机制成熟于CDMA系统,随着无线传感器网络的MAC协议的研究,人们发现功率控制机制在无线传感器网络中大有可为,特别是节省能耗的特点,这部分重点介绍了在Ad hoc和WSN中已有的MAC协议。第四部分,提出了一种基于功率控制机制的无线传感器网络MAC协议Distance Prediction Power Control MAC (DPPC-MAC)。DPPC-MAC协议基于目前十分成熟的SMAC协议,引入了功率控制机制以降低数据包发送时的能耗,并且提出了一种新的通过功率预测距离来解决暴露终端和隐藏终端的方法。仿真结果表明,DPPC-MAC能有效降低网络能耗,同时吞吐量性能也得到了一定的改善。在最后部分,总结了全文,展望了未来的研究方向。
刘辉[3]2007年在《ZigBee无线传感器网络的设计与应用》文中研究表明无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点。无线传感器网络综合了传感器技术、无线通讯技术和计算机技术等,具有信息采集、传输和处理的能力。低成本、低功耗、应用简单的ZigBee协议的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制的应用提供了互联互通的国际标准,也为这些应用及相关产业的发展提供了有力的契机。目前,国内主要以ZigBee技术的应用研究为主,尚没有对外公布的协议栈。多数应用都是以Freescale或Microchip公司所提供的开发套件为基础平台,也有少数有自己的硬件平台,但软件上仍然是在Freescale或Microchip公司所提供的底层协议API接口基础之上来开发实现的。本文首先介绍了无线传感器网络和ZigBee技术的相关基础知识,然后在现有的ZigBee硬件方案中选择了Freescale公司提供的解决方案:MC9S08GB60和MC13192,并以此方案为背景设计开发了MT-ZigBee硬件平台。接着在深入分析ZigBee协议规范的基础上,对ZigBee协议物理层、MAC层和网络层功能的设计与实现作了详细介绍。作为对MT-ZigBee硬件平台和协议栈可行性的测试与验证,论文的最后以农业大棚为实际的应用对象,组织了一个较为简单的应用实例,验证了MT-ZigBee硬件平台和协议栈的可用性。本文所设计实现的MT-ZigBee硬件平台与简化的ZigBee协议栈,对于ZigBee技术和无线传感器网络的应用研究具有一定的参考价值和实际意义,为ZigBee无线技术在工业、农业、家庭建筑和环境监测等方面的进一步应用提供了相关的软硬件基础平台,同时也为对ZigBee协议本身的研究与改进提供了相应的工作基础。
金保升[4]2007年在《无线传感器网络多信道MAC协议的研究与实现》文中提出无线传感器网络(WSNs)的MAC协议处于网络协议的底层部分，它决定无线信道的使用方式，对无线传感器网络的性能有极大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传统无线网络的MAC协议无法满足无线传感器网络的设计要求，不能直接应用。针对无线传感器网络MAC协议的研究一直是人们普遍关注的问题，具有非常重要的实际意义。本文首先介绍了传感器网络的整体概况以及无线MAC协议的国内外研究现状，深入分析了一些经典的无线网络MAC协议。然后，根据课题的要求在吸取和改进多种经典MAC协议的基础上，设计了一种针对无线传感器网并与IEEE802.15.4标准物理层兼容的多信道MAC协议—DCA-CRM。DCA-CRM协议有效地融合了动态信道分配和准预留机制，同时协议使用了一种虚拟MAC帧机制，能支持更大的网络层数据包；DCA-CRM还具有功率控制的功能，它能根据节点间通信距离的远近动态调整发射功率等级。接着，本文在Freescale公司的SARD板上用ANSI C语言实现了DCA-CRM协议。通过四组实验测试DCA-CRM协议的性能，并与两种单信道MAC协议的实际工作性能做了比较。最后，总结研究工作，并展望进一步的工作。本文研究表明，与传统的单信道MAC协议相比，DCA-CRM能够更好地解决无线传感网中的暴露终端和隐藏终端问题，提高网络性能。并能通过功率控制更有效地降低网络节点的能量消耗，延长整个网络的寿命。
钱丽丽[5]2016年在《监测类应用无线传感器网络抗拥塞MAC协议研究》文中研究表明由于无线传感器网络节点能量和硬件资源受限,在诸如社区监测等应用中,数据包多到一及多跳汇聚传输模式易引起无线传感器网络局部或全局拥塞,导致网络传输延迟增大、数据丢失,甚至网络瘫痪。对网络拥塞进行有效控制是保证无线传感器网络服务质量(Quality of Service, QoS)性能、延长生命周期的关键手段之一。媒介访问控制(Medium Access Control, MAC)协议处于网络协议栈底层,负责管理分配传感器节点的通信资源,直接影响着网络对拥塞的响应速度。提高MAC协议的抗拥塞能力是无线传感器网络研究中具有挑战性的研究课题之一。本文分析多跳汇聚拓扑网络发生拥塞的原因,提出和改进了MAC协议抗拥塞方法。论文的主要工作和创新点如下：(1)改进设计了一种基于父节点控制无线信道资源分配的拥塞缓解MAC协议(SRI-MAC):针对网络中数据多到一汇聚传输时,子节点竞争加剧导致传输性能下降,休眠机制导致有效带宽变小等造成的网络拥塞问题,本协议通过父节点对无线信道资源进行分配,包含多次邀请机制和迸发传输机制,达到缓解拥塞的目的。仿真结果显示,随着负载流量增加,SRI-MAC协议数据包传递率比S-MAC和R-MAC同。(2)提出一种基于节点自适应竞争窗口调节策略的拥塞缓解MAC协议(CA-MAC):针对数据多跳汇聚传输使负载流量不均衡,负载密度逐跳变大,易引起拥塞使父节点缓存队列溢出丢包的问题,本协议采用缓存队列占用率检测和拥塞趋势度检测结合的方法检测拥塞,通过自适应竞争窗口调节策略以及进发传输机制,缓解了拥塞。仿真结果显示,随数据包加载时间间隔缩小,CA-MAC的数据包传递率比S-MAC和RL-MAC高。(3)改进设计了一种基于相邻节点选择策略分流数据的拥塞缓解MAC协议(MACA-MAC):针对父节点发生拥塞无法接收数据,造成其子节点数据积压加剧拥塞的问题,本协议中,当父节点发生拥塞时,其子节点通过相邻节点选择策略,从可选邻节点列表中选择传输压力最小的节点转发数据,缓解了拥塞。仿真结果显示,随数据包加载时间间隔缩小,MACA-MAC协议的数据包传递率比PW-MAC高。论文在上述研究的基础上,设计了采用CC2530,芯片的测试节点,在测试节点软硬件平台上实现了本文提出和改进的MAC协议抗拥塞方法,并在实际场景中进行了组网验证。实测结果表明,SRI-MAC协议的数据包传递率比S-MAC高,在SRI-MAC上增加自适应竞争窗口调节策略后,其数据包传递率比SRI-MAC高。通过节点选择策略进行数据分流缓解拥塞的MACA-MAC的包传递率比PW-MAC高。本论文所改进和提出的MAC协议抗拥塞方法,能够缓解拥塞,提高监测应用中多跳汇聚网络数据传输成功率。
张宏娟[6]2008年在《无线传感器网络MAC层协议的分析与仿真》文中提出随着无线通信,微电子机械制造技术和传感器技术的发展,无线传感器网络(Wireless sensor net-works,WSNs)引起了人们的广泛关注。WSN由部署在监测区域内,大量集成有感知、数据处理和无线通信及能量供应模块的微型传感器节点所组成,有着广阔的应用前景。具有许多与传统无线网络不同的特点,且与应用高度相关。无线传感器网络主要的一个设计目标是有效地使用网络节点的受限资源,以最大化网络的服务寿命。由于传统网络的介质访问控制(MAC)协议,并不能直接应用于无线传感器网络。所以针对无线传感器网络的特点和应用背景,研究人员提出了很多MAC协议。在这样的背景下,本文分析研究了无线传感器网络的体系结构、通信协议栈、网络的特点、应用领域和发展状况等,然后做了如下工作:(1)本文通过分析无线传感器网络的特点,讨论了影响MAC协议设计的有关问题,重点对目前流行的2类MAC协议,基于竞争的MAC协议和基于时分复用的MAC协议的性能和特点进行了介绍和对比。(2)通过NS2仿真平台,分别对IEEE802.11和S-MAC协议的网络能量消耗、吞吐量、延时3个网络性能指标进行了仿真分析。仿真结果表明,802.11的MAC协议由于采用全侦听机制,能量消耗大、协议复杂,不太适合WSN网络。尽管S-MAC比802.11节省更多的能量,但是它具有不能很好的适应网络流量的变化的缺点;(3)在比较分析现有MAC协议的优势和不足的基础上,提出了一种改进协议。此协议在S-MAC协议的基础上,结合时分复用机制能在网络负载较大的情况下,解决节点对信道竞争的设计思想改进而来,较好的改善了网络流量负载较高时S-MAC协议的性能,具有良好的网络适应性。然后通过NS2仿真平台,完成对能耗,延时和吞吐量的3个性能指标的仿真,并进行比较分析,得出了此改进协议确实比原S-MAC协议的性能有了很大改善的结论。最后,给出了工作过程总结,以及提出了未来需要进一步改善的地方,并进行了展望。
俞迅[7]2007年在《基于802.3以太网MAC协议的研究与实现》文中提出本文阐述基于IEEE802.3规范的以太网MAC协议的实现。首先从理论上对MAC层协议作了介绍和分析，然后重点对协议各主要功能的实现进行了讨论，设计以及功能的仿真。设计过程采用自顶向下逐渐细分的方法，首先介绍了整个系统的内部结构并将MAC的基本功能分为数据帧接收、数据帧发送、流量控制这叁大部分，给出了它们之间的关系，再分别针对每个模块进行进一步的细分，最后对各个模块进行仿真来检查设计结果。本设计包含数据接收、数据发送、MAC控制以及MAC状态这四个模块：接收模块实现前同步码及帧开始定界符的识别和地址校验功能；发送模块的实现主要集中在CSMA／CD协议；MAC控制模块负责控制帧的生成和处理；状态模块用于记录MAC操作过程中的状态数据。设计采用Verilog HDL语言对其进行描述。使用Xilinx公司的ISE 6对设计结果进行综合，得到各个模块的RTL电路图，最后采用ModelSim SE 6.1f工具进行仿真。仿真时考虑了各种工作情况以得出全面的验证结果。除此之外本文还讨论了吉比特及10吉比特以太网技术及其MAC层协议，为进一步的研究提供了理论基础。
吴琼[8]2016年在《车载自组织网络MAC协议及性能分析研究》文中认为车载自组织网络是一种为车辆问通信而设计的无线自组织网络。车载自自组织网络不仅能够用于降低交通事故和交通拥堵等问题的发生,而且能够提供多种娱乐应用。由于车载自组织网络广泛的应用前景,近年来引起了世界各国工业界和学术界的高度关注,目前已成为通信网络领域的一个研究热点。本论文研究车载自组织网络的媒介接入控制(Medium Access Control, MAC)层协议,重点研究MAC层协议的性能分析,论文的主要工作和创新之处包括以下四个方面：首先,论文研究了车载自组织网络标准IEEE 802.11p的增强分布式信道接入(Enhanced Distributed Channel Access, EDCA)机制,并建立性能模型分析IEEE 802.11p EDCA机制的接入性能。在建立性能模型时,首先采用一个2维马尔科夫模型对一个接入类型(Access Category, AC)队列的退避过程进行描述,并建立该AC队列发送概率和碰撞概率之间的关系。然后,采用一个1维的马尔科夫模型对一个AC队列的竞争时期进行描述,并建立该AC队列发送概率和竞争概率之间的另一个关系。与大多数相关文献中所建立模型不同的是,该模型采用无限状态的1维马尔科夫模型对一个AC队列的在饱和状态和非饱和状态下的竞争时期进行建模。这两个马尔科夫模型考虑了能够影响IEEE 802.11p EDCA机制接入性能的主要影响因素,包括饱和状况、标准参数、退避冻结以及内部碰撞。基于这两个马尔科夫模型,论文进一步推导出一个AC队列的参数和该AC队列接入性能(包括发送概率、碰撞概率、归一化吞吐量以及平均接入延迟)之间的关系,并通过仿真结果验证性能模型的有效性和准确性。然后,论文研究了车载自组织网络中的公平接入问题,分析了非饱和状态下基于IEEE 802.11分布式协作功能(Distributed Coordination Function, DCF)机制的公平信道接入协议接入性能。在建立性能模型时,首先推导出非饱和状态下一个车辆的发送概率和最小竞争窗口之间的关系以及一个车辆的速度和最小竞争窗口之间的关系。基于该性能模型,在给定速度的情况下,车辆能够确定最小竞争窗口实现不同车辆之间的公平接入。在此基础上,进一步分析非饱和状态下公平信道接入协议的吞吐量性能,并通过仿真结果验证性能模型的有效性和准确性。之后,论文研究了一个基于时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)的经典MAC协议—ADHOC MAC协议,并建立性能模型对ADHOCMAC协议的接入性能进行了分析。在建立性能模型时,首先采用一个马尔科夫模型描述使用ADHOC MAC协议时在一帧结束时已经成功接入一个时隙的车辆的数目。基于该马尔科夫模型,推导出使用ADHOC MAC协议时帧长和信道利用率之间的关系。基于推导出的这一关系,可以计算出最大化信道利用率的帧长。最后,论文针对车载自组织网络中车辆数目变化频繁这一特征,提出了一种基于动态帧长分配的广播MAC协议。采用该协议,当网络中车辆数目增加的时候,帧长会自适应增加。当网络中车辆数目减少的时候,帧长会自适应减少。仿真结果表明,与VeMAC协议相比,基于动态帧长分配的广播MAC协议能使网络中车辆的未接入时隙次数始终为零,并且在初始帧长大于网络中车辆数目时能够有效提升网络的信道利用率。
范光宇[9]2015年在《水声传感网络的媒体接入控制技术》文中研究说明水声传感网络(Underwater Acoustic Sensor Network, UWASN)是当前海洋开发与通信领域的研究热点,组网技术是水声传感网络的重要研究方向之一。水声传感网络采用声信号为传播媒介,由于水声信道的带宽有限、传播时延长、信道变化快、多径扩展严重、噪声复杂等因素,使水声通信时存在高误码率与不可靠性,从而使人们在开发与设计水声传感网络时面临各种挑战。如何克服这些不利因素的影响,设计合理有效的水声传感网络组网技术与方法,对人类合理开发利用海洋资源、保护国家海洋安全,具有十分重要的意义。世界各国对水声传感网络的研究工作尚处于起步阶段,研究水声传感网络组网技术,对设计与部署水声传感网络非常重要。论文以水声传感网络的媒体接入控制(Media Access Control, MAC)技术展开研究工作,分别从水声传感网络的特点与MAC协议设计的具体要求,针对水声传感网络数据传输漏斗效应、水声通信调制解调器长前导码与分布式测流应用特定需求等问题,分别提出了相应的MAC协议,并进行了性能分析与仿真验证,得到了一些有意义的研究成果。论文主要研究成果如下：(1)针对以汇聚节点为中心水声传感网络的漏斗效应瓶颈位置的高数据冲突问题,提出了基于竞争的汇聚型水声MAC (Funneling MAC for UWASN, FMACU)协议。针对瓶颈位置中汇聚节点收到多个邻居节点预约信道的情况,FMACU协议使汇聚节点合理安排多个邻居节点的数据发送顺序,实现在一次交互过程中接收多个邻居节点的数据,降低网络瓶颈位置的信道预约开销,提高数据传输效率。仿真结果表明,FMACU协议可提高网络吞吐量,降低丢包率、控制包开销和传输延时。(2)针对以汇聚节点为中心水声传感网络的数据密集区域的高数据冲突问题,采用码分复用(Code Division Multiple Access, CDMA)技术,提出了基于路径扩频的混合MAC (Path-Oriented Code Assignment CDMA-based MAC,POCA-CDMA-MAC)协议。在POCA-CDMA-MAC协议中,根据网络拓扑结构,数据密集区域节点建立传输路径,各路径中的节点按先后顺序与逐跳转发的方式将数据传输至汇聚节点,汇聚节点为每条路径分配正交扩频码避免路径之间的数据冲突。该协议多条路径逐跳数据发送方式和不同路径正交数据传输特点,避免了数据的冲突,提高了数据传输效率。性能分析和仿真表明,POCA-CDMA-MAC协议可提高网络吞吐量,降低传输延时。(3)考虑水声传感网络的调制解调器长前导码与水声信道长传播时延等特点,提出了基于预约的混合(Hybrid Reservation-based MAC, HRMAC)协议。在HRMAC协议中,多个发送节点通过控制包预约信道后,按一定顺序以循环接龙的方式发送数据,降低了预约开销,从而提升了网络性能。理论分析与仿真结果表明,HRMAC协议降低了协议开销、丢包率和能量消耗,提高了网络的吞吐量。(4)针对邻居节点间交换数据的需求与水声信道长传播时延的特性,提出了基于双向传输的时分复用多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)协议,即双向TDMA协议,分析了协议性能,并给出了协议的适用条件。双向TDMA协议在同一时隙内收发节点完成数据交换,从而提高了信道利用率。针对基于水声传感网络的分布式流场测量的应用场景,将测量过程分成节点测量信号广播、邻居节点间信息交换与测量数据收集叁个阶段,并根据不同阶段数据收发时延与传输效率等要求,提出了面向节点测量信号广播的时隙调度方法、面向节点间信息交换的时隙调度方法与测量数据收集的徽时隙分配算法,并进行性能仿真验证。仿真结果表明,所提出的时隙调度方法,有效缩短了完成一次测量所需的时间。
禹德贵[10]2008年在《无线传感器网络节点设计及MAC协议研究与实现》文中认为无线传感器网络是近几年出现的集微电机系统、片上系统和无线通信技术为一体的一项崭新的技术,它是由具有信息感知、信息处理以及信息传输功能的大量传感器节点构成。这些节点之间采用Ad-hoc方式进行网络互联,可以实时的对网络部署区域内的客观环境信息进行实时的监测,并将监测信息通过无线传感器网络传送回监控中心。本文涉及的项目就是基于无线传感器网络广阔的应用前景而做的预研工作,旨在搭建一套功能完整的无线传感器网络实验平台,能够稳定的完成无线传感器网络的常见网络特性的演示及一些算法的验证工作。文中包括的主要研究内容为无线传感器网络节点的硬件设计部分,采用ATmega128L微处理器、CC1000射频收发一体芯片作为无线传输模块、DHT90温湿度一体数字传感器作为传感器感知模块构成整个传感器节点硬件基础。后面还对目前比较常用的无线MAC协议从功耗、延时、吞吐量以及丢包率几个方面进行了仿真分析比较,最后在无线传感器网络专用嵌入式操作系统TinyOS平台上实现了基于冲突避免CSMA/CA机制的B-MAC协议。
参考文献：
[1]. ZigBee协议栈的分析与设计[D]. 闫沫. 厦门大学. 2007
[2]. 无线传感器网络MAC层协议研究[D]. 刘晓杰. 上海交通大学. 2008
[3]. ZigBee无线传感器网络的设计与应用[D]. 刘辉. 苏州大学. 2007
[4]. 无线传感器网络多信道MAC协议的研究与实现[D]. 金保升. 南京理工大学. 2007
[5]. 监测类应用无线传感器网络抗拥塞MAC协议研究[D]. 钱丽丽. 东南大学. 2016
[6]. 无线传感器网络MAC层协议的分析与仿真[D]. 张宏娟. 武汉理工大学. 2008
[7]. 基于802.3以太网MAC协议的研究与实现[D]. 俞迅. 同济大学. 2007
[8]. 车载自组织网络MAC协议及性能分析研究[D]. 吴琼. 东南大学. 2016
[9]. 水声传感网络的媒体接入控制技术[D]. 范光宇. 浙江大学. 2015
[10]. 无线传感器网络节点设计及MAC协议研究与实现[D]. 禹德贵. 北京邮电大学. 2008
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