基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络MAC层节能技术研究

摘要

无线传感器网络(WSN)是由大量具有特定功能的传感器节点通过无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的自组织的网络系统。由于应用场景的特殊性和传感器节点的能量限制，无线传感器网络设计的首要目标就是节省能量，而媒体接入控制(MAC)协议的设计是整个WSN节能设计的重要环节。IEEE802.15.4协议是针对低速无线个人区域网络的无线通信技术标准，也是无线传感器网络的工业界标准。
　　 本文首先研究了基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络MAC层协议，包括超帧结构、MAC层帧结构、数据传输模型、接入算法以及节点的能量消耗模型。其次，基于IEEE802.15.4搭建了WSN的仿真平台，对WSN性能进行了研究。最后，针对无线传感器网络的突发业务，提出了节能的MAC(即EB-TDMA)协议。该协议仅让处于突发状态的节点动态成簇，每帧的长度随着网络业务动态变化。这种帧长的动态优化，降低了传输时延，提高了信道利用率。同时，该协议让空闲状态的节点退出簇进行休眠，有效地节省了能量，延长了网络寿命。仿真结果表明，对节点密集时的突发业务，该协议在时延和节能方面都具有良好的性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3研究内容及意义

1.4本文章节安排

第二章 无线传感器网络概述

2.1无线传感器网络体系结构

2.2无线传感器网络的特征与应用

2.2.1传感器节点的限制

2.2.2无线传感器网络的特点

2.2.3无线传感器网络的应用

2.3无线传感器网络MAC层协议

2.3.1 MAC层协议概述

2.3.2基于调度的MAC协议

2.3.3基于竞争的MAC协议

2.3.4混合型协议

第三章 IEEE 802.15.4协议

3.1协议简介

3.1.1 WPAN网络概述

3.1.2网络组成

3.1.3网络拓扑结构

3.2物理层

3.2.1物理层参考模型

3.2.2物理层的载波信道

3.2.3物理层的帧结构

3.3 MAC层

3.3.1 MAC层参考模型

3.3.2超帧结构

3.3.3信道扫描

3.3.4数据传输模型

3.3.5 MAC层帧结构

3.3.6信道访问机制CSMA/CA算法

3.4影响802.15.4网络性能的因素

第四章 基于IEEE 805.15.4的WSN性能研究

4.1 WSN能量模型分析

4.2 802.15.4协议的CSMA/CA算法分析

4.2.1马尔科夫模型

4.2.2吞吐量

4.3 WSN仿真平台

4.3.1 NS2仿真软件介绍

4.3.2 802.15.4协议在NS2中的架构体系

4.3.3仿真场景的选择

4.3.4仿真参数的设置

4.4仿真分析

4.4.1显隐终端问题分析

4.4.2占空比的影响

第五章 面向突发业务的MAC协议

5.1无线传感器网络中的突发业务

5.1.1突发业务概述

5.1.2面向突发业务的MAC方案

5.2基于分簇网络的典型MAC协议

5.3 EB-TDMA协议设计

5.3.1设计思想

5.3.2协议描述

5.4 EB-TDMA协议性能分析

5.4.1仿真平台

5.4.2仿真结果分析

第六章 结束语

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果