基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络MAC层节能技术研究

【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。 【关键词】：WSN 节能策略 IEEE 802.15.4协议 突发业务
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-11
• 1.1 研究背景7-8
• 1.2 研究现状8-9
• 1.3 研究内容及意义9-10
• 1.4 本文章节安排10-11
• 第二章 无线传感器网络概述11-23
• 2.1 无线传感器网络体系结构11-13
• 2.2 无线传感器网络的特征与应用13-16
• 2.2.1 传感器节点的限制13-14
• 2.2.2 无线传感器网络的特点14-15
• 2.2.3 无线传感器网络的应用15-16
• 2.3 无线传感器网络MAC 层协议16-23
• 2.3.1 MAC 层协议概述16-18
• 2.3.2 基于调度的MAC 协议18-19
• 2.3.3 基于竞争的MAC 协议19-22
• 2.3.4 混合型协议22-23
• 第三章 IEEE 802.15.4 协议23-39
• 3.1 协议简介23-26
• 3.1.1 WPAN 网络概述23
• 3.1.2 网络组成23-24
• 3.1.3 网络拓扑结构24-26
• 3.2 物理层26-28
• 3.2.1 物理层参考模型26-27
• 3.2.2 物理层的载波信道27
• 3.2.3 物理层的帧结构27-28
• 3.3 MAC 层28-37
• 3.3.1 MAC 层参考模型28-29
• 3.3.2 超帧结构29-30
• 3.3.3 信道扫描30-31
• 3.3.4 数据传输模型31-33
• 3.3.5 MAC 层帧结构33-35
• 3.3.6 信道访问机制CSMA/CA 算法35-37
• 3.4 影响802.15.4 网络性能的因素37-39
• 第四章 基于IEEE 805.15.4 的WSN 性能研究39-53
• 4.1 WSN 能量模型分析39-40
• 4.2 802.15.4 协议的CSMA/CA 算法分析40-44
• 4.2.1 马尔科夫模型40-44
• 4.2.2 吞吐量44
• 4.3 WSN 仿真平台44-49
• 4.3.1 N52 仿真软件介绍44-46
• 4.3.2 802.15.4 协议在N52 中的架构体系46-47
• 4.3.3 仿真场景的选择47-48
• 4.3.4 仿真参数的设置48-49
• 4.4 仿真分析49-53
• 4.4.1 显隐终端问题分析49-51
• 4.4.2 占空比的影响51-53
• 第五章 面向突发业务的MAC 协议53-65
• 5.1 无线传感器网络中的突发业务53-54
• 5.1.1 突发业务概述53
• 5.1.2 面向突发业务的MAC 方案53-54
• 5.2 基于分簇网络的典型MAC 协议54-56
• 5.3 EB-TDMA 协议设计56-58
• 5.3.1 设计思想56
• 5.3.2 协议描述56-58
• 5.4 EB-TDMA 协议性能分析58-65
• 5.4.1 仿真平台58-60
• 5.4.2 仿真结果分析60-65
• 第六章 结束语65-67
• 致谢67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间的研究成果73-74

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