802.15.4e中DSME协议的研究与实现

摘要

应用需求推动无线传感器网络研究愈发深入，作为标准的 IEEE802.15.4协议研究趋于成熟。近年来，多样性网络的提出使得具有统一属性和功能的标准不能适应特定需要的网络和场景。因此，国际电工电子工程学会(IEEE)发布IEEE802.15.4eTM-2012协议修订，并提出了五种不同模式来适用不同的工业场景，本文研究的DSME协议是其中的一种。
　　本文是校企合作项目后续问题的继续研究。DSME协议适用于固定延时的工业场景，灵活可扩展，具有多种新的机制。论文首先对DSME协议和实现涉及的平台Contiki作了具体介绍。然后，根据DSME协议的规定和平台机制，将协议实现分为关键模块和辅助模块两部分来阐述。关键模块主要完成网络创建与启动，网络扫描，节点关联，多超帧结构通信，时隙查询与协商，报文帧封装与解析等功能。辅助模块主要用于保障DSME协议可靠运行，具体实现的功能包括缓存区维护与管理机制，协议报文收发确认等。
　　论文使用Cooja仿真工具，对Contiki系统上开发的DSME协议进行功能性测试，验证DSME实现的正确性。同时在200个节点网络场景下，进行性能仿真，与信标使能下的802.15.4协议进行对比分析。仿真的结果表明DSME协议能有效提高应用层报文成功递交率，同时 DSME协议的网络平均时延较为固定，DSME的时延对网络的负载变化不敏感。
　　标准中，DSME协议所构成的网络在运行期间，默认多超帧通信中超帧 CAP与CFP时间占比维持不变，这使得通信所需的时间资源无法根据CAP与CFP阶段通信状况的变化进行合理地分配。为了适应实际的网络场景，应对多变的业务报文流，论文设计了一种基于CAP和CFP阶段通信状态和缓存压力动态调整时间资源的算法。该算法的主要思想是当CAP阶段通信压力高于CFP阶段时，通过一定的机制缩减CFP阶段时隙数目从而扩展CAP阶段时间资源，减轻CAP阶段通信压力；反之，当CFP阶段通信压力大时，适当缩减CAP长度，扩充CFP时隙数目，降低CFP阶段通信压力。

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第一章 绪论

1.1 无线传感网概述

1.2 802.15.4e标准

1.3 论文研究的内容

1.4 论文章节安排

第二章 DSME协议

2.1 DSME协议概述

2.2 DSME帧格式

2.3 DSME管理操作

2.4 DSME通信机制

2.5 本章小结

第三章 DSME协议关键模块设计

3.1 系统平台与仿真

3.2 协议栈框架与主流程

3.3 协议的扫描模块设计

3.4 协议的关联模块设计

3.5 协议的通信模块设计

3.6 协议的GTS模块设计

3.7 帧的封装与解析模块

3.8 本章小结

第四章 DSME协议辅助模块设计

4.1 辅助模块设计的总体目标与思路

4.2 协议全局关键参数及数据结构

4.3 缓存区维护与管理机制实现

4.4 协议报文收发机制的实现

4.5 本章小结

第五章 协议仿真与多超帧结构时间资源的动态分配

5.1 DSME协议功能测试

5.2 DSME协议性能测试与分析

5.3 问题的提出与分析

5.4 多超帧时间资源的动态分配算法

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果