【摘要】：日益流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多媒體新應(yīng)用需求的結(jié)合促使了無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSNs)技術(shù)的產(chǎn)生。無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在給人們提供豐富媒體信息帶來感官享受的同時也給媒體接入控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議設(shè)計帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),如低時延、低能耗、高吞吐量等。本文首先介紹了無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景,然后分析了無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC關(guān)鍵技術(shù)。雖然現(xiàn)有的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議應(yīng)用到無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在諸多局限,但是對其進行針對性的改進后可以應(yīng)用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用場景中。無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向分為區(qū)分服務(wù)MAC協(xié)議、混合型MAC協(xié)議和跨層設(shè)計的MAC協(xié)議。傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò),大多數(shù)無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中除了存在實時性敏感的多媒體業(yè)務(wù)流之外仍存在其它非實時性業(yè)務(wù)流。當(dāng)實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)突發(fā)視頻、音頻流量不大時,應(yīng)用基于競爭的MAC協(xié)議,仍能較好的處理應(yīng)用要求。S-MAC協(xié)議是經(jīng)典的基于競爭的MAC協(xié)議。本文詳細(xì)分析了S-MAC協(xié)議使用的策略:周期性監(jiān)聽/睡眠調(diào)度機制,讓傳感器節(jié)點長時間地處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點能量的消耗;對監(jiān)聽/睡眠調(diào)度周期進行管理和維護,將相鄰節(jié)點組織在一起形成虛擬簇,相同虛擬簇中節(jié)點具有同步的調(diào)度周期,從而減少了空閑監(jiān)聽帶來的能量消耗;通過自適應(yīng)監(jiān)聽機制,讓相關(guān)節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的時刻自適應(yīng)地喚醒并轉(zhuǎn)發(fā)消息,減少了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延。S-MAC協(xié)議的這些機制盡可能節(jié)省了節(jié)點能量。但是無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中多媒體信息的數(shù)據(jù)量大,并且對信息的傳輸和處理又有著特殊的要求,如對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS,Quality of Service)的特殊要求,使S-MAC協(xié)議應(yīng)用到無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)存在一定的局限性。本文結(jié)合無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,從保障網(wǎng)絡(luò)QoS和提高網(wǎng)絡(luò)性能出發(fā),對S-MAC協(xié)議進行改進。本文提出了自適應(yīng)競爭窗口調(diào)整算法(ACWA-MAC,Adaptive Contention Window Adjustment in MAC)和基于數(shù)據(jù)類型的自適應(yīng)占空比調(diào)整算法(DTD-MAC,Data Type based Design of MAC)。ACWA-MAC中協(xié)議競爭窗口大小根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不同而變化。DTD-MAC統(tǒng)計數(shù)據(jù)分組發(fā)送的失敗率來預(yù)測網(wǎng)絡(luò)主要的數(shù)據(jù)流類型,從而調(diào)整占空比來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)流類型的變化。最后對新算法和機制在Linux環(huán)境下的NS2平臺上進行了仿真驗證。結(jié)果表明,ACWA-MAC算法顯著地降低網(wǎng)絡(luò)丟包率和網(wǎng)絡(luò)能耗等;DTD-MAC算法顯著地降低網(wǎng)絡(luò)丟包率、平均時延,同時提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量等。
[Abstract]:The combination of the increasingly popular wireless sensor network (WSN) technology and the new multimedia applications promotes the emergence of the wireless multimedia sensor network (Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSNs) technology. Wireless multimedia sensor network (WSN) technology not only provides rich media information for sensory enjoyment, but also brings severe challenges to the design of media access control (Medium Access Control,MAC) protocol, such as low delay, low energy consumption, high throughput and so on. This paper first introduces the research status, network architecture, key technologies and application prospects of wireless multimedia sensor networks, and then analyzes the MAC key technologies of wireless multimedia sensor networks. Although the existing MAC protocol for wireless sensor networks has many limitations in wireless multimedia sensor networks, it can be used in some application scenarios of wireless multimedia sensor networks after targeted improvement. The development direction of wireless multimedia sensor networks is divided into differentiated service MAC protocol, hybrid MAC protocol and cross-layer design MAC protocol. Sensor networks are application-oriented networks. In most wireless multimedia sensor networks, there are other non-real-time traffic besides real-time sensitive multimedia traffic. When the network burst video and audio flow are small in practical applications, the application of MAC protocol based on competition can still deal with the application requirements well. S-MAC protocol is a classic MAC protocol based on competition. In this paper, the strategies used in S-MAC protocol are analyzed in detail: periodic monitoring / sleep scheduling mechanism, allowing sensor nodes to sleep for a long time to reduce node energy consumption; The monitoring / sleep scheduling cycle is managed and maintained, the adjacent nodes are organized together to form a virtual cluster, and the nodes in the same virtual cluster have synchronous scheduling cycles, thus reducing the energy consumption brought by idle listening. Through the adaptive monitoring mechanism, the relevant nodes can wake up and forward messages adaptively at the end of the data transmission, thus reducing the transmission delay of the data in the network. These mechanisms of the S-MAC protocol can save the node energy as much as possible. However, the amount of multimedia information in wireless multimedia sensor networks is large, and there are special requirements for the transmission and processing of information, such as the quality of service (QoS,Quality of Service). There are some limitations in the application of S-MAC protocol to wireless multimedia sensor networks. Based on the characteristics of wireless multimedia sensor networks, this paper improves the S-MAC protocol in order to guarantee the network QoS and improve the network performance. In this paper, adaptive contention window adjustment algorithm (ACWA-MAC,Adaptive Contention Window Adjustment in MAC) and adaptive duty cycle adjustment algorithm based on data type (DTD-MAC,) are proposed. The size of the protocol contention window in Data Type based Design of MAC). ACWA-MAC varies according to the network load. The failure rate of the DTD-MAC statistical packet is used to predict the main data flow types of the network. Thus, the duty cycle is adjusted to adapt to the changes of data flow types in the network. Finally, the new algorithm and mechanism are simulated on the NS2 platform under Linux environment. The results show that the ACWA-MAC algorithm can significantly reduce the packet loss rate and the network energy consumption, while the DTD-MAC algorithm can significantly reduce the network packet loss rate, average delay, and improve the network throughput.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN915.04;TP212.9

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本文編號：2400067