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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- MCR：一種基于多信道預(yù)約及自適應(yīng)占空比的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡介：
- 針對傳感器網(wǎng)絡(luò)中三重隱終端問題, 提出了一種基于自適應(yīng)占空比的多信道MAC協(xié)議—MCR, MCR通過多信道預(yù)約機(jī)制高效地解決了該問題. 在理論分析中, 通過最小化節(jié)點(diǎn)平均信道切換次數(shù)的下界得出了節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)占空比. 為驗(yàn)證MCR中多信道預(yù)約和自適應(yīng)占空比機(jī)制的性能, 進(jìn)行了模擬和真實(shí)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著信道數(shù)及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加, MCR提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量, 降低了傳輸所消耗的能量.
- 詳細(xì)介紹：
- 針對THT, 本文提出了一種基于多信道預(yù)約的自適應(yīng)占空比MAC協(xié)議—MCR (Multi-Channel Reservations). 在MCR中, 發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)共同決定一組可能空閑的信道, 然后在其中選擇一個真正空閑的信道進(jìn)行通信. 該機(jī)制有效地避免了由三重隱終端引起的數(shù)據(jù)包沖突問題. 本文貢獻(xiàn)總結(jié)如下： (1) 本文首次定義了基于占空比機(jī)制的多信道WSN中三重隱終端問題, 并利用多信道預(yù)約機(jī)制解決了該問題, 進(jìn)而避免了由其導(dǎo)致的能量消耗, 延長了WSN的生存周期; (2) 本文提出了一個基于自適應(yīng)占空比的mcMAC—MCR, 該協(xié)議無需時(shí)間同步, 并且MCR中的節(jié)點(diǎn)在每次睡眠前根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自適應(yīng)地調(diào)整其占空比, 從而達(dá)到能量有效; (3) 本文分析了MCR的性能, 得到了MCR中節(jié)點(diǎn)切換信道次數(shù)的下界, 并通過最小化該下界得到了最優(yōu)占空比, 該最優(yōu)占空比能夠最大程度地降低信道切換次數(shù)的下界, 從而減少由信道切換產(chǎn)生的能量消耗和延遲; (4) 本文通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MCR的性能, 并且在真正的傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺下, 實(shí)現(xiàn)了MCR并驗(yàn)證了其在真實(shí)環(huán)境中的性能.
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 在基于占空比的多信道WSN中, 三重隱終端問題會導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)包沖突. 本文提出了一種基于適應(yīng)性占空比的多信道MAC協(xié)議—MCR. MCR利用多信道預(yù)約技術(shù)解決了該問題, 從而避免了由其引發(fā)的數(shù)據(jù)包沖突, 減少了能量消耗. 而且, MCR無需全網(wǎng)時(shí)間同步和多Radio機(jī)制的支持, 這使得MCR非常適合于實(shí)現(xiàn)在資源受限的大規(guī)模WSN中.
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 無論是基于時(shí)間同步的MAC協(xié)議, 還是基于多Radio機(jī)制MAC協(xié)議, 上述協(xié)議都存在引入較大額外開銷的問題. 因此, 本文針對這些問題, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了MCR. MCR無需時(shí)間同步及多Radio機(jī)制, 也不涉及復(fù)雜的參數(shù)計(jì)算和特殊硬件支持, 而且一對通信節(jié)點(diǎn)只根據(jù)自身信息做出信道選擇, 不涉及其它節(jié)點(diǎn), 從而避免了由合作機(jī)制所引入的能量消耗, 延長了WSN的生存周期.
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- MCR利用多信道預(yù)約機(jī)制解決了該問題, 從而避免了由其引發(fā)的數(shù)據(jù)包沖突, 減少了能量消耗. 而且, MCR為完全分布式機(jī)制且無需全網(wǎng)時(shí)間同步, 所以該協(xié)議適用于資源受限的大規(guī)模WSN.
學(xué)術(shù)論文摘要
- 針對WSN中三重隱終端問題, 提出了一種基于適應(yīng)性最優(yōu)占空比的多信道MAC協(xié)議——MCR. MCR通過多信道預(yù)約技術(shù)以較小的代價(jià)解決了該問題. 而且, MCR為完全分布式機(jī)制, 無需全網(wǎng)時(shí)間同步及多Radio支持. 所以, MCR非常適合于實(shí)現(xiàn)在資源受限的WSN中. 在MCR中, 節(jié)點(diǎn)可以在多個假設(shè)空閑的信道中選擇一個真正空閑的信道進(jìn)行通信, 從而避免了數(shù)據(jù)包沖突問題, 節(jié)省了由于沖突產(chǎn)生的能量消耗. 在理論分析中, 通過最小化MCR中節(jié)點(diǎn)平均信道切換次數(shù)的下界得出了節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)占空比, 從而進(jìn)一步節(jié)省能量, 延長網(wǎng)絡(luò)生命周期. 為驗(yàn)證MCR中多信道預(yù)約和適應(yīng)性占空比機(jī)制的實(shí)際性能, 進(jìn)行了大量模擬和真實(shí)實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 與其它多信道MAC協(xié)議相比, 隨著總信道數(shù)及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加, MCR提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量, 降低了傳輸所消耗的能量, 進(jìn)而達(dá)到能量有效.
獲獎情況
- 第四屆中國傳感器網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)會議優(yōu)秀論文獎 國家重要學(xué)術(shù)期刊(國際一級)<通信學(xué)報(bào)>2011年第4期發(fā)表
鑒定結(jié)果
- 為驗(yàn)證MCR的性能, 本文進(jìn)行了大量模擬對比實(shí)驗(yàn), 并且利用真實(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)平臺實(shí)現(xiàn)了MCR協(xié)議. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：MCR顯著地提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量.
參考文獻(xiàn)
- [1] G. Zhou, C. Huang, T.Yan, et al. MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks, in INFOCOM, 2006. [2] Y Kim, H Shin, et al. Y-MAC: An Energy-efficient Multi-Channel MAC Protocol for Dense Wireless Sensor Networks, in IPSN, 2008. [3] H. K. Le, D. Henriksson, et al. A Practical Multi-Channel Media Access Control Protocol for Wireless Sensor Networks, in IPSN, 2008. [4] M. Salajegheh, et al. HyMAC: Hybrid TDMA/FDMA Medium Access Control Protocol for Wireless Sensor Networks, in PIMRC, 2007. [5] M. Jovanovic, and G. Djordjevic. TFMAC: Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, in TELSIKS, 2007. [6] J. So and N. Vaidya. Multi-Channel MAC for Ad Hoc Networks: Handling Multi-Channel Hidden Terminals Using a Single Transceiver, in Mobihoc, 2004,. [7] J. Chen, S. Sheu, and C. Yang. A New Multichannel Access Protocol for IEEE 802.11 Ad Hoc Wireless LANs, in PIMRC, 2003.
同類課題研究水平概述
- Zhou提出了第一個針對WSN的mcMAC——MMSN. MMSN利用四種靜態(tài)信道分配策略為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配信道, 當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí), 它切換到相應(yīng)接收節(jié)點(diǎn)的信道后向其發(fā)送數(shù)據(jù). Zhou針對WSN提出了HyMAC. 在HyMAC中, 通信周期由一組幀構(gòu)成, 而每個幀又劃分為調(diào)度時(shí)槽和競爭時(shí)槽. 基站負(fù)責(zé)為所有節(jié)點(diǎn)分配時(shí)槽和信道. Jovanovic針對WSN提出TFMAC, 在TFMAC中, 幀由競爭周期和非競爭周期組成. TFMAC與HyMAC工作原理相似, 最為重要的區(qū)別在于：在TFMAC中, 所有節(jié)點(diǎn)本身非基站為節(jié)點(diǎn)分配信道. Le針對WSN提出Y-MAC. 在Y-MAC中, 時(shí)間被劃分為一系列固定長度的幀, 而每個幀又由廣播周期和單播周期組成. Y-MAC與上述mcMAC最主要的區(qū)別為：Y-MAC采用調(diào)度接收節(jié)點(diǎn)而非發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸機(jī)制以達(dá)到能量有效的目的. So針對ad hoc網(wǎng)絡(luò)提出MMAC. 在MMAC中, 時(shí)間被劃分為多個時(shí)槽; 在每個時(shí)槽的前半部分, 所有節(jié)點(diǎn)在CC上交換信道預(yù)約信息來預(yù)約DC, 而在每個時(shí)槽的后半部分, 發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)切換到已預(yù)約的DC上進(jìn)行通信. Chen針對ad hoc網(wǎng)絡(luò)提出了MAP. MAP與MMAC的不同在于MAP采用了可變長度的時(shí)槽, 所以MAP避免了數(shù)據(jù)時(shí)槽必須按最大數(shù)據(jù)包長度設(shè)置的問題. Tzamaloukas針對ad hoc網(wǎng)絡(luò)提出了CHAT. 在CHAT中, 所有節(jié)點(diǎn)使用同一序列進(jìn)行跳頻. 當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)要通信時(shí), 它們停止跳頻, 在當(dāng)前信道上進(jìn)行通信. Bahl針對ad hoc網(wǎng)絡(luò)提出SSCH. 雖然SSCH也是基于跳頻機(jī)制, 但它采用了多重跳頻序列. Tzamaloukas 針對無線網(wǎng)絡(luò)提出了基于跳頻機(jī)制的RICH-DP, RICH-DP的獨(dú)特之處在于它采用了一種接收節(jié)點(diǎn)開始的沖突避免機(jī)制. 上述機(jī)制利用時(shí)間同步設(shè)計(jì)協(xié)議, 從而控制信息可以在所有節(jié)點(diǎn)都已知的時(shí)槽發(fā)送. 但是到目前為止, 針對大規(guī)模WSN, 時(shí)間同步還沒有一個有效地解決辦法. 最常見的辦法是周期性地發(fā)送同步控制包, 但這些控制包引入了大量開銷, 這些開銷不但耗費(fèi)了較多的能量而且降低了信道的利用率.
