基于Contiki平台的IEEE802.15.4eTSCH时隙调度策略设计与实现

摘要

本文研究的IEEE802.15.4e-2012标准是对IEEE802.15.4-2011 MAC规范的修正案。IEEE802.15.4e-2012标准开创性的提出了五种适用于不同工业场景的工作模式。
　　本文研究的TSCH模式正是其中之一。TSCH模式的MAC相较于之前传统的802.15.4 MAC有了很大的变化。
　　在充分分析标准中提出的TSCH工作模式的特点（Slotframe结构，全网节点时间同步，时隙内的通信，新的TSCH CSMA/CA信道访问机制以及信道跳频技术）后，本文发现，从标准到实现TSCH模式的多跳网络之间还需要补充部分内容，这其中最重要的就是 TSCH时隙调度策略的设计。TSCH模式使用信道跳频技术带来的好处是通信链路资源的提升，但通信资源的提升并不一定能够带来网络性能的提高，这之间还需要一个适当的资源调度策略。
　　本文基于标准并结合所依托项目的需求设计了一种TSCH模式的时隙调度策略。这种时隙调度策略适用于规模较大的多跳无线传感器网络，且节点的能量供应充足。
　　本文设计的策略首先开创性的将时隙资源按照上层报文需求进行分类，给出了ADV、TX、RX、Bcast TRX以及Ucast TRX五种时隙资源类型的划分。ADV、TX和 RX时隙使用静态策略分配，Bcast TRX和Ucast TRX两种既能支持帧发送也能支持帧接收的时隙使用动态策略调度。本文对处于Bcast TRX和Ucast TRX时隙的节点给出了节点角色的判定规则。对处于不同时隙的不同角色节点的具体操作流程，本文给出了详细描述。文中设计的时隙调度策略满足了上层的一跳内广播通信、多跳间的单播通信等通信需求。
　　本文在Contiki平台上完成了802.15.4e TSCH模式MAC层的代码实现，并在实现中使用了本文设计的时隙调度策略。针对实现中的一些关键流程，例如TSCH PAN网络的启动和管理、时间同步机制、TSCH CSMA/CA算法、传输模式和BUFF管理等，本文给出了详细描述。
　　最后，在Contiki平台上使用Cooja工具分别对运行本文实现的TSCH MAC系统的节点和使用传统802.15.4 MAC的节点进行大规模多跳网络的仿真实验，通过实验结果的对比，本文发现在大规模网络场景下，使用本文时隙调度策略并实现的802.15.4e TSCH MAC在性能上要明显好于传统的802.15.4 MAC。

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第一章 绪 论

1. 1研究背景和研究意义

1. 2研究现状

1. 3本文研究内容

1. 4本文章节安排

第二章 IEEE 802.15.4e标准分析

2.1 IEEE 802.15.4e概述

2.2 IEEE 802.15.4e TSCH模式特性分析

2. 3本章小结

第三章 IEEE 802.15.4e TSCH模式时隙调度策略设计

3. 1问题的提出与分析

3. 2前提条件

3. 3时隙资源划分

3.4 TRX时隙节点角色判定

3. 5时隙调度策略

3. 6时隙具体操作流程

3. 7本章小结

第四章 Contiki平台中TSCH模式及时隙调度策略实现

4 .1 Contiki平台

4 .2实现目标与思路

4 .3 TSCH模式及时隙调度策略实现详细描述

4. 4本章小结

第五章 Contiki平台中TSCH模式的测试与大规模网络仿真

5. 1仿真测试工具Cooja简介

5 .2 TSCH模式功能测试

5. 3大规模网络场景仿真

5. 4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