基本信息
- 项目名称：
- MCR：一种基于多信道预约及自适应占空比的无线传感器网络MAC 协议
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 针对传感器网络中三重隐终端问题, 提出了一种基于自适应占空比的多信道MAC协议—MCR, MCR通过多信道预约机制高效地解决了该问题. 在理论分析中, 通过最小化节点平均信道切换次数的下界得出了节点的最优占空比. 为验证MCR中多信道预约和自适应占空比机制的性能, 进行了模拟和真实实验, 实验结果表明:随着信道数及网络负载的增加, MCR提高了网络吞吐量, 降低了传输所消耗的能量.
- 详细介绍：
- 针对THT, 本文提出了一种基于多信道预约的自适应占空比MAC协议—MCR (Multi-Channel Reservations). 在MCR中, 发送和接收节点共同决定一组可能空闲的信道, 然后在其中选择一个真正空闲的信道进行通信. 该机制有效地避免了由三重隐终端引起的数据包冲突问题. 本文贡献总结如下： (1) 本文首次定义了基于占空比机制的多信道WSN中三重隐终端问题, 并利用多信道预约机制解决了该问题, 进而避免了由其导致的能量消耗, 延长了WSN的生存周期; (2) 本文提出了一个基于自适应占空比的mcMAC—MCR, 该协议无需时间同步, 并且MCR中的节点在每次睡眠前根据实时网络参数自适应地调整其占空比, 从而达到能量有效; (3) 本文分析了MCR的性能, 得到了MCR中节点切换信道次数的下界, 并通过最小化该下界得到了最优占空比, 该最优占空比能够最大程度地降低信道切换次数的下界, 从而减少由信道切换产生的能量消耗和延迟; (4) 本文通过模拟实验验证了MCR的性能, 并且在真正的传感器网络平台下, 实现了MCR并验证了其在真实环境中的性能.
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 在基于占空比的多信道WSN中, 三重隐终端问题会导致大量数据包冲突. 本文提出了一种基于适应性占空比的多信道MAC协议—MCR. MCR利用多信道预约技术解决了该问题, 从而避免了由其引发的数据包冲突, 减少了能量消耗. 而且, MCR无需全网时间同步和多Radio机制的支持, 这使得MCR非常适合于实现在资源受限的大规模WSN中.
科学性、先进性及独特之处
- 无论是基于时间同步的MAC协议, 还是基于多Radio机制MAC协议, 上述协议都存在引入较大额外开销的问题. 因此, 本文针对这些问题, 设计并实现了MCR. MCR无需时间同步及多Radio机制, 也不涉及复杂的参数计算和特殊硬件支持, 而且一对通信节点只根据自身信息做出信道选择, 不涉及其它节点, 从而避免了由合作机制所引入的能量消耗, 延长了WSN的生存周期.
应用价值和现实意义
- MCR利用多信道预约机制解决了该问题, 从而避免了由其引发的数据包冲突, 减少了能量消耗. 而且, MCR为完全分布式机制且无需全网时间同步, 所以该协议适用于资源受限的大规模WSN.
学术论文摘要
- 针对WSN中三重隐终端问题, 提出了一种基于适应性最优占空比的多信道MAC协议——MCR. MCR通过多信道预约技术以较小的代价解决了该问题. 而且, MCR为完全分布式机制, 无需全网时间同步及多Radio支持. 所以, MCR非常适合于实现在资源受限的WSN中. 在MCR中, 节点可以在多个假设空闲的信道中选择一个真正空闲的信道进行通信, 从而避免了数据包冲突问题, 节省了由于冲突产生的能量消耗. 在理论分析中, 通过最小化MCR中节点平均信道切换次数的下界得出了节点的最优占空比, 从而进一步节省能量, 延长网络生命周期. 为验证MCR中多信道预约和适应性占空比机制的实际性能, 进行了大量模拟和真实实验. 实验结果表明: 与其它多信道MAC协议相比, 随着总信道数及网络负载的增加, MCR提高了网络吞吐量, 降低了传输所消耗的能量, 进而达到能量有效.
获奖情况
- 第四届中国传感器网络学术会议优秀论文奖 国家重要学术期刊(国际一级)<通信学报>2011年第4期发表
鉴定结果
- 为验证MCR的性能, 本文进行了大量模拟对比实验, 并且利用真实传感器节点平台实现了MCR协议. 实验结果表明：MCR显著地提高了网络吞吐量.
参考文献
- [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.
同类课题研究水平概述
- Zhou提出了第一个针对WSN的mcMAC——MMSN. MMSN利用四种静态信道分配策略为全网节点分配信道, 当发送节点有数据要发送时, 它切换到相应接收节点的信道后向其发送数据. Zhou针对WSN提出了HyMAC. 在HyMAC中, 通信周期由一组帧构成, 而每个帧又划分为调度时槽和竞争时槽. 基站负责为所有节点分配时槽和信道. Jovanovic针对WSN提出TFMAC, 在TFMAC中, 帧由竞争周期和非竞争周期组成. TFMAC与HyMAC工作原理相似, 最为重要的区别在于：在TFMAC中, 所有节点本身非基站为节点分配信道. Le针对WSN提出Y-MAC. 在Y-MAC中, 时间被划分为一系列固定长度的帧, 而每个帧又由广播周期和单播周期组成. Y-MAC与上述mcMAC最主要的区别为：Y-MAC采用调度接收节点而非发送节点的传输机制以达到能量有效的目的. So针对ad hoc网络提出MMAC. 在MMAC中, 时间被划分为多个时槽; 在每个时槽的前半部分, 所有节点在CC上交换信道预约信息来预约DC, 而在每个时槽的后半部分, 发送节点和接收节点切换到已预约的DC上进行通信. Chen针对ad hoc网络提出了MAP. MAP与MMAC的不同在于MAP采用了可变长度的时槽, 所以MAP避免了数据时槽必须按最大数据包长度设置的问题. Tzamaloukas针对ad hoc网络提出了CHAT. 在CHAT中, 所有节点使用同一序列进行跳频. 当两个节点要通信时, 它们停止跳频, 在当前信道上进行通信. Bahl针对ad hoc网络提出SSCH. 虽然SSCH也是基于跳频机制, 但它采用了多重跳频序列. Tzamaloukas 针对无线网络提出了基于跳频机制的RICH-DP, RICH-DP的独特之处在于它采用了一种接收节点开始的冲突避免机制. 上述机制利用时间同步设计协议, 从而控制信息可以在所有节点都已知的时槽发送. 但是到目前为止, 针对大规模WSN, 时间同步还没有一个有效地解决办法. 最常见的办法是周期性地发送同步控制包, 但这些控制包引入了大量开销, 这些开销不但耗费了较多的能量而且降低了信道的利用率.
