基于IEEE802.15.4的无线传感器网络跨层优化策略研究

摘要

随着近年来无线传感器小型化、智能化以及更加廉价，无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)有了越来越多的应用，例如无线传感网可以应用于自然灾害预警、生物健康监测、危险环境探测等领域，已成为研究热点。IEEE802.15.4标准被认为是最适合无线传感器网络的短距离无线通信标准之一，得到了广泛的应用。但是日益多样化的应用和复杂多变的无线环境使得IEEE802.15.4MAC协议中时隙CSMA/CA算法默认参数配置不能适用于所有的应用环境，因此对算法性能分析及其改进策略的研究是扩展其应用范围的关键。本文对时隙CSMA/CA算法进行建模分析，并通过协议层间信息交互的跨层优化方法，研究了时隙CSMA/CA算法的改进策略，做了以下几方面的工作:
　　 一、针对无线传感器网络应用中网络负载多样化的特点，综合考虑碰撞、ACK机制、重传机制及网络负载对现有的时隙CSMA/CA算法的分析模型进行改进。使用改进的马尔可夫模型分析了MAC协议中时隙CSMA/CA算法参数对网络可靠性的影响。
　　 二、针对WSN网络中复杂多变的无线网络环境，研究了一种时隙CSMA/CA算法的改进策略。改进的重传策略综合考虑了碰撞、隐藏终端、信道衰落的环境因素。仿真结果表明，改进的重传策略提高了系统的可靠性，降低了能耗。
　　 三、针对在网络部署时网络负载未知而又有数据传输可靠性要求的无线传感器网络，基于多目标优化理论和跨层的方法，对时隙CSMA/CA算法中的参数配置策略进行改进。使用NS-2对改进的策略进行了仿真，仿真结果表明，改进的策略在可靠性、能耗特性方面的性能得到了提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容

1．4 本文章节安排

第2章 无线传感器网络与IEEE 802．1 5．4概述

2．1 无线传感器网络概述

2．2 无线传感器网络关键性能指标

2．3 无线传感器网络跨层设计概述

2．4 IEEE 802．1 5．4概述

2．4．1 IEEE 802．1 5．4网络拓扑

2．4．2 IEEE 802．1 5．4体系结构

2．4．3 IEEE 802．1 5．4物理层

2．4．4 IEEE 802．1 5．4 MAC层

2．4．5 IEEE 802．1 5．4超帧结构

2．4．6 IEEE 802．1 5．4时隙CSMA／CA算法

2．5 本章小结

第3章 IEEE 802．1 5．4时隙CSMA／CA算法理论建模

3．1 研究现状及本文工作

3．2 时隙CSMA／CA算法模型假设

3．3 时隙CSMA／CA算法理论建模与分析

3．3．1 节点状态建模

3．3．2 信道状态建模

3．3．3 系统性能评价参数

3．4 基于理论模型的网络性能分析

3．5 本章小结

第4章 时隙CSMA／CA算法重传策略的改进

4．1 重传策略存在的问题

4．2 MAC协议的数据传输分析

4．3 重传策略的改进

4．4 改进的重传策略的仿真

4．4．1 仿真工具介绍

4．4．2 仿真流程

4．4．3 仿真环境设置与结果分析

4．5 本章小结

第5章 时隙CSMA／CA算法自适应参数调节策略

5．1 研究现状及本文工作

5．2 多目标优化的概念

5．3 求解多目标问题的线性加权法

5．3．1 线性加权法定义

5．3．2 权重系数的确定

5．4 多目标优化建模

5．5 自适应参数调节策略

5．6 自适应参数调节策略的仿真

5．6．1 仿真环境及参数设置

5．6．2 仿真结果及分析

5．7 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果