IEEE 802.15.4基于动态自适应的节能MAC协议设计与仿真

【摘要】： IEEE 802.15.4标准是提供给低速率、低功耗和低成本设备使用的短距离无线通信协议并定义了低速无线传感器网络的MAC层和物理层规范。本文通过深入研究该协议标准,在低功耗的前提下,分析了现有无线传感器网络MAC层协议在适应负载变化环境方面的诸多不足,提出了基于动态自适应的调整超帧占空比和调整退避指数的MAC层协议的详细改进方案,并进行了相应的仿真程序设计。通过仿真测试证明了方案的可行性,对比结果表明,方案在负载变化环境下具有更好的性能。本文的具体研究和实现工作包括以下几个方面: 分析主流传感网MAC层协议的核心实现机制及各自特点、优势和存在问题,深入讨论无线传感网MAC层协议中影响MAC协议能量消耗的主要因素,使用NS2对IEEE 802.15.4 MAC层协议进行仿真与性能分析。 针对802.15.4 MAC协议中固定占空比和节点业务流量变化之间的不适应情况以及由此引起的分组时延和能耗之间的矛盾,通过寻找占空比和业务流量的最佳关系,提出一种根据网络当前负载情况动态调整超帧占空比的自适应机制。节点最优占空比通过在各种负载情况下进行反复仿真测试得出,在相对固定的拓扑环境下,该机制能够通过寻找能耗和时延的最佳折衷来提高传感器网络的性能。 针对802.15.4 MAC层的传统CSMA/CA算法在变化负载适应上的不足,分析业务负载和退避指数、重传自增值的关系,在业务负载较高时节点成功传输后退避窗口减到最小、碰撞概率很高,由此引起重传次数增加,不断的重传引起网络恶性循环从而导致网络拥塞。论文提出一种通过感知当前网络流量、动态调整初始退避指数值BE和重传次数自增值I的退避算法──CSMA/CA-DA算法,对此进行协议改进设计、仿真测试和性能分析,在相对固定的拓扑环境下,改进算法通过寻找不同负载情况下的最优退避指数,使得节点在竞争信道时均能处于最优状态。 【关键词】：无线传感网 IEEE 802.15.4 MAC 动态自适应 占空比 退避指数
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP212.9;TN915.04
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 无线传感器网络的组成、特点与应用13-16
• 1.3 无线传感器网络 MAC 协议的研究现状和存在的挑战16-17
• 1.4 论文的主要工作和相关贡献17-18
• 1.5 论文的组织结构18-19
• 1.6 本章小结19-20
• 第二章 无线传感器网络MAC 层协议研究20-30
• 2.1 无线传感器网络MAC 层协议概述20
• 2.2 MAC 协议设计目标20-21
• 2.3 MAC 协议节点能耗分析21-23
• 2.3.1 节点能耗分布21-22
• 2.3.2 MAC 层能耗的主要因素22-23
• 2.4 无线传感器MAC 层协议分类23-29
• 2.4.1 竞争型MAC 协议23-28
• 2.4.2 分配型MAC 协议28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 基于低功耗的IEEE 802.15.4 MAC 协议分析30-46
• 3.1 IEEE 802.15.4 概述30-32
• 3.1.1 标准的形成及特点30-31
• 3.1.2 IEEE 802.15.4 网络的组成与协议栈31-32
• 3.2 基于低功耗的IEEE 802.15.4 MAC 子层功能分析32-39
• 3.2.1 超帧结构32-34
• 3.2.2 数据传输模式34-35
• 3.2.3 信道接入方式35-37
• 3.2.4 MAC 层帧结构37-39
• 3.3 基于不同占空比IEEE 802.15.4 MAC 协议的对比仿真39-45
• 3.3.1 仿真平台NS239-40
• 3.3.2 NS2 网络模拟的一般流程40-41
• 3.3.3 基于不同占空比802.15.4 MAC 协议的对比仿真和结果分析41-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 IEEE 802.15.4 动态自适应占空比方案设计46-59
• 4.1 问题的提出46-48
• 4.1.1 固定占空比和节点业务流量变化之间的矛盾46
• 4.1.2 分组时延和能耗之间的矛盾46-48
• 4.1.3 结论48
• 4.2 自适应占空比设计方案48-50
• 4.2.1 设计思想48-49
• 4.2.2 设计方案49-50
• 4.2.3 改进方案的实现步骤50
• 4.3 动态自适应占空比设计方案仿真50-54
• 4.3.1 感知网络流量的大小50-52
• 4.3.2 占空比和业务流量的最佳关系52-53
• 4.3.3 MAC 协议的添加53
• 4.3.4 仿真环境的建立53-54
• 4.4 仿真结果分析54-58
• 4.4.1 分组递交率54-56
• 4.4.2 分组时延56-57
• 4.4.3 能耗57-58
• 4.4.4 结论58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 IEEE 802.15.4 基于动态自适应退避算法设计59-75
• 5.1 退避算法概述59-63
• 5.1.1 BEB 算法59-60
• 5.1.2 MILD 算法60-61
• 5.1.3 EIED 算法61-62
• 5.1.4 LMILD 算法62-63
• 5.2 IEEE 802.15.4 MAC 层退避算法的不足63-65
• 5.2.1 算法的退避机制和重传机制63-64
• 5.2.2 算法在动态自适应方面的不足64-65
• 5.3 CSMA/CA-DA 算法设计65-68
• 5.3.1 设计思想65-66
• 5.3.2 设计方案66-67
• 5.3.3 算法执行步骤67-68
• 5.4 CSMA/CA-DA 算法仿真与结果分析68-74
• 5.4.1 业务负载和退避指数、重传自增值的最佳关系68-69
• 5.4.2 代码的修改69-70
• 5.4.3 模拟环境的搭建70-72
• 5.4.4 结果分析72-74
• 5.5 本章小结74-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 工作总结75-76
• 6.2 未来工作的展望76-77
• 参考文献77-80
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文80-81
• 致谢81-82

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