IEEE 802.15.4协议MAC层机制研究

摘要

无线传感器网络是一种利用传感器节点实现特定功能的分布式传感网络。近年来，无线传感器网络广泛应用于国防科技、信息采集等领域，应用场景趋于多样化，因此，对无线传感器网络的深入研究有着重要的意义。IEEE802.15.4标准作为目前无线传感器网络最为成熟稳定的标准，为网络底层提供了统一规范。该标准能够支持对带宽、时延和功耗要求不高的低速率业务，但无法保障时延敏感业务的性能。针对当前业务场景趋于多样化的应用需求，需要对IEEE802.15.4协议媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层机制进行深入研究分析，找到适合复杂应用场景的改进方案。
　　本文的主要工作内容分为以下三部分：协议介绍及仿真系统设计、性能测试及分析、改进方案的提出及验证。
　　协议介绍及仿真系统设计部分首先介绍了IEEE802.15.4的应用场景和MAC层相关机制，并简要介绍了MAC层基础仿真平台实现原理及各功能模块；其次利用仿真平台设计了IEEE802.15.4 MAC层仿真系统，重点对协议中定义的超帧规划、信道接入和数据传输部分的实现流程进行设计。
　　性能测试及分析部分主要对协议MAC层机制进行了性能测试和分析，通过设计多种测试场景，评估不同场景下MAC层机制的吞吐量、时延、抖动的等性能，并根据仿真结果发现：现有的协议MAC层机制能够较好的满足类型单一、速率较低的业务性能需求，但无法保障高带宽、低时延业务的服务质量。
　　改进方案提出及验证部分具体包含以下三点：针对存在非竞争访问时段时，网络中竞争访问时段信道碰撞加剧，时隙浪费的问题，提出了 GTS请求改进的机制，即通过在数据帧中携带 GTS请求的方法来减少信道浪费，提升网络的总体性能；针对高优先级业务服务质量无法保障的问题，提出了基于优先级分配 GTS的机制，通过优先为高优先级业务分配 GTS的方法，提高了高优先级业务的相关性能；针对非竞争访问时段保障时隙分配不及时的问题，提出了超帧结构改进的机制，通过将非竞争访问时段置于超帧的起始位置，使之能够更快地响应GTS请求，提升了GTS业务的性能。最后通过理论分析和仿真结果验证了协议机制改进方案的有效性，表明改进后的 MAC协议机制能够适应较为复杂的应用场景，为进一步的研究工作提供了思路。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3本文工作及内容安排

第二章 IEEE 802.15.4协议介绍

2.1概述

2.2 ZigBee协议介绍

2.3 IEEE 802.15.4协议概述

2.4网络拓扑

2.5物理层规范

2.6 MAC层帧结构

2.7信道接入机制

2.8数据传输

2.9小结

第三章 IEEE 802.15.4 MAC层仿真系统

3.1概述

3.2 MAC层基础仿真平台

3.3 MAC层仿真系统设计

3.4小结

第四章 IEEE 802.15.4仿真结果及性能分析

4.1概述

4.2协议参数设定

4.3吞吐量

4.4时延及抖动

4.5存在固定带宽业务

4.6小结

第五章 IEEE 802.15.4 MAC层机制改进

5.1概述

5.2 GTS请求机制改进

5.3 GTS分配机制改进

5.4超帧结构改进

5.5综合改进机制的性能分析

5.6小结

第六章 工作总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

参考文献

致谢

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