IEEE802.15.4时隙CSMA/CA算法性能分析与节点功耗改进研究

摘要

IEEE802.15.4是在当下无线网络技术高速发展，在低速率、大范围的应用需求之下产生的低速无线个域网标准通信协议。IEEE802.15.4以其低成本、低功耗、低复杂度和具备自组织网络的优点成为了无线传感器网络通信的不二选择。对它进行深入地探究并根据实际需求对它进行改进和优化成为当下无线传感器网络研究领域的一个热点，具有重要的研究意义。本文针对实际需求对无线传感器网络中包含特别重要信息的高优先级数据包需要获得优先传输的现实要求，以及标准的IEEE802.15.4没有制定相关优先级区分机制，提出了一种对IEEE802.15.4标准CSMA/CA算法进行优化的改进算法。该算法为CSMA/CA机制引入了优先级区分的思想，对网络的传输方式进行了优化。
　　论文首先对无线传感器网络以及标准的IEEE802.15.4的MAC层协议的原理进行了分析，其中重点对协议中的时隙CSMA/CA算法进行了详细解读，对算法中的三个关键参数NB、CW和BE对算法性能的影响进行了充分描述。之后根据当前算法不能区分数据优先级的缺点提出了基于优先级区分的时隙CSMA/CA算法，并建立了该改进算法的马尔可夫链模型，利用OMNeT++网络仿真工具对算法的性能进行了仿真，验证了改进算法的优越性。
　　在为CSMA/CA算法引入优先级区分级之后，考虑到无线传感器网络的生命周期受到节点能量供给有限这一限制，本文又基于降低节点功耗、延长网络生存期的出发点提出了节点提前休眠模式，并建立了相关的节点状态切换数学模型，之后通过实验确认了该模式对降低节点功耗的效果。
　　本文的研究表明，对标准时隙CSMA/CA算法进行优先级区分的优化以及为降低网络功耗而令节点提前休眠的方法对提高网络处理紧急事件的效率以及延长网络的工作周期都是有效的。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 无线传感器网络的研究现状

1.3 论文主要内容和组织结构

第2章 IEEE 802.15.4协议标准

2.1 无线传感器网络

2.1.1 无线传感器网络的结构简介

2.1.2 无线传感器网络的特点

2.1.3 无线传感器网络的应用

2.2 IEEE 802.15.4网络设备构成及其拓扑结构

2.2.1 网络设备构成

2.2.2 点对点拓扑

2.2.3 星形拓扑

2.2.4 分簇树型拓扑

2.2.5 IEEE 802.15.4的体系结构

2.3 IEEE 802.15.4标准物理层简介

2.4 IEEE 802.15.4标准的MAC层

2.4.1 MAC层的信道接入协议简介

2.4.2 GTS机制

2.4.3 超帧结构

2.4.4 IEEE 802.15.4协议对CSMA/CA算法的应用需求

2.5 小结

第3章 优先级区分的改进时隙CSMA/CA算法

3.1 IEEE 802.15.4标准时隙CSMA/CA算法

3.2 IEEE 802.15.4 MAC层时隙CSMA/CA算法改进策略与机制

3.2.1 退避次数优化

3.2.2 优先级调度

3.2.3 退避指数的差分服务机制

3.3 带有优先级机制的时隙CSMA/CA算法

3.4 优先级区分的时隙CSMA/CA算法建模和分析

3.4.1 马尔可夫链简介

3.4.2 基于优先级的时隙CSMA/CA算法的信道模型

3.5 OMNET++仿真平台简介

3.5.1 OMNeT++的组成

3.5.2 OMNeT++结构

3.5.3 实验结果及仿真分析

3.6 小结

第4章 低功耗的时隙CSMA/CA休眠机制

4.1 无线传感器网络能量高效的协议简介

4.2 IEEE 802.15.4的能量有效性分析

4.2.1 IEEE 802.15.4的物理层能量有效性

4.2.2 IEEE 802.15.4的MAC层能量有效性探究

4.3 IEEE 802.15.4MAC 层的节点休眠机制及性能评估

4.3.1 休眠状态数学模型分析

4.3.2 实验仿真和结果分析

4.4 小结

结 论

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文

致 谢