IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA算法改进研究与性能分析

论文摘要

IEEE 802.15.4是在低速率应用需求下产生的低速无线个域网标准,是目前无线传感器网络通信标准的最佳选择。深入研究协议,并进行优化使其能更适合于无线传感器网络是当前研究的热点,具有重要研究意义。本文针对无线传感器网络在实时监测环境中高优先级数据包需要优先传输的情况且IEEE 802.15.4协议本身不支持任何优先级机制,提出一种改进算法,引入优先级处理思想进行优化。考虑了节点非饱和状态,更加具有实际意义。本文首先对无线传感器网络中的IEEE 802.15.4协议的MAC层性能进行研究,全面介绍IEEE802.15.4协议的原理,重点对协议中MAC层的时隙CSMA/CA算法进行详细的描述,然后在OPNET软件仿真环境中建立了一个IEEE802.15.4协议的网络仿真模型,仿真和分析了CSMA/CA机制中BO、BE、CW等参数,在不同网络负载的情况下和不同的参数设置不同的值对网络性能流量、平均延迟的影响,为合理设置网络参数提供参考。在此基础上,引入优先级思想,提出了差分服务机制和退避次数优化策略,结合优先级调度策略,并对非饱和状态下基于优先级的时隙CSMA/CA算法进行数学建模,包括节点马尔科夫模型和信道马尔科夫模型,据此提出了一种非饱和状态下基于优先级的IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA算法性能的分析方法。分析不同策略和机制在不同包到达率和节点个数的情况下,基于优先级的时隙CSMA/CA算法对两种不同优先级数据包的网络性能的影响。仿真分析表明,本文提出的基于优先级的IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA算法的改进机制和策略对提高网络中高优先级数据包的实时传输性能是有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络的体系协议结构
• 1.2.1 无线传感器网络系统结构
• 1.2.2 无线传感器网络的协议体系
• 1.3 课题研究现状
• 1.4 本文主要内容及章节安排
• 第二章 IEEE802.15.4协议标准
• 2.1 IEEE802.15.4网络组成和网络拓扑结构
• 2.1.1 网络设备
• 2.1.2 星形拓扑
• 2.1.3 点对点拓扑
• 2.2 IEEE 802.15.4标准的物理层
• 2.3 IEEE 802.15.4标准的MAC层
• 2.3.1 超帧
• 2.3.2 帧间隔
• 2.3.3 数据传输方式
• 2.4 IEEE 802.15.4 CSMA/CA算法介绍
• 2.4.1 CSMA/CA算法分类
• 2.4.2 IEEE 802.15.4 CSMA/CA算法流程
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于优先级的改进时隙CSMA/CA算法
• 3.1 时隙CSMA/CA算法参数影响仿真
• 3.1.1 网络仿真场景
• 3.1.2 模型参数设置
• 3.2 仿真及结果分析
• 3.2.1 不同参数对饱和吞吐量的影响
• 3.2.2 不同参数对延时的影响
• 3.3 时隙CSMA/CA算法的改进策略与机制
• 3.3.1 优先级调度策略
• 3.3.2 竞争窗口差分服务机制
• 3.3.3 退避次数优化策略
• 3.3.4 退避指数差分服务机制
• 3.4 基于优先级的IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA算法
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于优先级的时隙CSMA/CA算法建模与分析
• 4.1 马尔可夫链基本概念
• 4.2 基于优先级的时隙CSMA/CA算法马尔科夫链模型
• 4.2.1 基于优先级的时隙CSMA/CA算法的节点模型
• 4.2.2 基于优先级的时隙CSMA/CA算法的信道模型
• 4.3 性能分析
• 4.4 仿真与分析
• 4.4.1 节点为饱和与非饱和的影响
• 4.4.2 优先级调度策略与竞争窗口差分服务机制的影响
• 4.4.3 退避次数优化策略与退避指数差分服务机制的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间完成的研究成果