基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络MAC层节能技术研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, 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（Media Access Control, MAC）协议的设计是整个WSN节能设计的重要环节。IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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 N52 仿真软件介绍
• 4.3.2 802.15.4 协议在N52 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