基于实时应用下IEEE802.15.4网络的研究和改进

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）技术是现代信息技术领域中具有交叉学科性质的高新技术,在军事领域、民用领域和工业领域中有着广泛的应用。IEEE 802.15.4协议为无线传感器网络提供了节点间通信的国际标准,具有低速率、低成本、低功耗、高质量的特点。目前有关IEEE 802.15.4网络的研究主要集中在建模、性能评估、低功耗等方面,但对于网络吞吐量、时延、丢包率等网络特性关注不足。本文针对实时应用领域中无线传感器网络系统对时延敏感的特点,全面分析了IEEE 802.15.4标准,对标准中提供保障传输的保障时槽（GTS）调度机制进行了深入研究。本文使用网络微积分的原理分析GTS的时延边界问题,得到GTS的速率-时延服务曲线和时延界限定义公式。在GTS的先来先服务调度策略的基础上,提出一种基于时延优先级的GTS分配算法。新算法根据节点发送数据包的发送成功率、缓存利用率和带宽占用率,评估数据包的优先级,按照优先级顺序响应GTS请求并动态调整GTS中的时槽数量,确保实时传输和带宽利用率。最后,本文使用OPNET Modeler仿真工具建模分析IEEE 802.15.4网络的特征。Modeler采用面向对象模拟方式,为每一类结点建立相应的结点模型,包括物理层建模、MAC层建模、网络层建模。通过对标准算法与改进后算法的仿真分析比较,验证了新算法在不影响网络整体效率的前提下,降低了时延,提升了传输效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图的目录
• 表的目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.2 无线传感器网络应用
• 1.2 研究现状和内容
• 1.3 本文的组织结构
• 2 IEEE 802.15.4网络协议
• 2.1 网络组成和拓扑结构
• 2.2 IEEE 802.15.4标准概述
• 2.3 IEEE 802.15.4物理层规范
• 2.4 IEEE 802.15.4 MAC子层规范
• 2.4.1 MAC子层的特点
• 2.4.2 MAC子层的帧格式
• 3 MAC协议在实时应用下的性能研究
• 3.1 IEEE 802.15.4标准功能的深入分析
• 3.1.1 数据传输模型
• 3.1.2 超帧结构
• 3.1.3 GTS管理原语
• 3.2 网络微积分原理分析GTS时延边界
• 3.2.1 网络数据流模型
• 3.2.2 GTS的速率-时延服务曲线
• 3.2.3 GTS端到端时延界限公式
• 4 IEEE 802.15.4网络MAC协议改进
• 4.1 GTS的FCFS调度机制
• 4.1.1 GTS的分配
• 4.1.2 GTS的管理
• 4.1.3 GTS的使用
• 4.1.4 GTS的释放
• 4.1.5 GTS的重新分配
• 4.2 基于优先级的GTS调度机制
• 4.2.1 设定节点数据的优先级
• 4.2.2 基于优先级的动态调度算法
• 5 仿真与性能评估
• 5.1 仿真平台简介
• 5.2 建立三层模型
• 5.2.1 网络层模型
• 5.2.2 节点模型
• 5.2.3 进程模型
• 5.3 仿真验证与分析
• 6 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文