基于IEEE 802.15.4 CSMA/CA协议的无线传感器网络性能分析与改进机制

摘要

随着IEEE802.15.4标准的建立，无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）得到了更为广泛的应用。无线传感器网络是嵌入式系统、无线通信技术、网络技术及微机电系统等学科互相融合、渗透而产生的新技术，广泛使用在军事国防领域、环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域，几乎涵盖了生活中的方方面面。无线传感器网络通过随机部署的节点以无线通信的方式自组成网，完成对环境数据的长时间自动监测、采集和传输。研究高效、节能的介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议是延长网络寿命、提高网络实时性的有效途径。
　　 无线传感器网络的MAC分为四种:基于调度的MAC，基于同步竞争的MAC，基于异步竞争的MAC，调度和竞争混合的MAC。IEEE802.15.4标准几乎涵盖了所有这四种MAC类型，研究分析IEEE802.15.4机制并对其进行性能改进迫在眉睫。针对环境在线监测的实时性要求，在保证节能性的前提下，提高WSN的实时性能。本文基于节能这个基本目的，围绕提高传输的延时性能这个要求，深入分析影响无线传感器网络CSMA/CA协议性能的因素，针对同构网络、异构网络、多跳网络等典型无线传感器网络，分别提出了相应的基于IEEE802.15.4标准的同步竞争协议CSMA/CA的改进协议。本文的主要工作包括以下几个方面:
　　 (1)对CSMA/CA机制的访问信道过程进行了深入分析，将用Markov模型来定性描述该机制的数学模型进行了总结。针对无线传感器网络传输过程中的特征:同构/异构、饱和/不饱和、重传/不考虑重传、信标使能/非信标使能、向上链路/向下链路、ACK/non-ACK、有缓存/无缓存等，对现有CSMA/CA机制的Markov模型进行比较分析，总结分类，提出各种Markov模型的性能优缺点，并分析影响CSMA/CA机制性能的因素。基于本文实时性、节能性的要求，针对性地提出改进措施。
　　 (2)提出了实时性能较高的同构CSMA/CA机制LIB(LinearInreasingBackoff)协议。采用LIB算法的backoff机制取代原IEEE802.15.4标准中的BEB(BinaryExponentialBackoff)的backkoff机制。根据Markov模型的特征，得出节点的操作点特性，并且通过操作点性能获取系统的吞吐量、延时、能耗等特性指标的数学表达。对LIB机制和其它相似CSMA/CA机制的性能进行了比较，LIB机制极大地提高了网络的延时特性，并且在数据包达到率较高、节点数量较多时，吞吐量、能耗性能也得到了极大地提高。
　　 (3)提出了公平的、实时性高的异构CSMA/CA机制OSTS/BSTS(OneServiceaTimeScheme/BulkServiceaTimeScheme)。建立两个semi-Markov模型来描述单种节点访问信道的CSMA/CA机制，一个macro-Markov模型来描述整个信道的宏观状态转换过程，M/G/1/K队列模型来描述数据包在缓存中的传输过程。通过这些模型，获取系统的吞吐量、延时、能耗等特性指标的数学表达。对OSTS/BSTS机制和其它的非优先权异构机制的性能进行了比较，OSTS/BSTS机制极大地提高了网络的延时特性和公平性，并且在异构程度较高时，吞吐量、能耗性能也得到了很大的提高。
　　 (4)提出了实时性高的多跳CSMA/CA机制MultiCSMA机制。建立n个semi-Markov模型来描述单跳节点访问信道的CSMA/CA机制，一个macro-Markov模型来描述整个信道的宏观状态转换过程。提出了HTL算法消除“HiddenTerminal”对性能的影响，并且无需考虑建立及维护路由所带来的能耗。仿真结果阐述了数据到达率、传送距离、数据包长度等对协议性能的影响，并证明了协议的正确性。
　　 (5)通过NS-2对上述所有的分析进行仿真实验。大量的仿真实验验证了这四个协议模型的正确性。并且，基于CC2430硬件节点和TinyOS操作系统的实验结果表明同构CSMA/CA机制LIB的延时性能优于IEEE802.15.4标准的CSMA/CA机制。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 无线传感器网络的发展现状

1．3 本课题研究的主要工作及创新点

1．4 本文的组织结构

第二章 无线传感器网络MAC协议

2．1 无线传感器网络的协议栈

2．2 无线传感器网络MAC协议介绍

2．3 无线传感器网络MAC协议分类

2．4 IEEE 802．15．4协议介绍

2．5 CSMA／CA机制介绍

2．6 采用Markov链模型分析CSMA／CA机制

2．6．1 Bianchi模型

2．6．2 Malone模型

2．6．3 Park模型

2．6．4 Ramachandran模型

2．6．5 Ndih模型

2．6．6 Kim模型

2．6．7 He模型

2．7 本章小结

第三章 同构无线传感器网络的MAC协议改进—LIB协议

3．1 Markov链

3．2 IEEE 802．15．4标准的CSMA／CA模型表达

3．2．1 该模型的相关文献

3．2．2 CSMA／CA模型退避机制的改进

3．2．3 Markov链的转移概率表达式

3．3 同构无线传感器网络的性能要求及改进

3．3．1 CSMA／CA模型的改进

3．3．2 改进的CSMA／CA模型LIB机制的转移概率

3．3．3 改进的CSMA／CA模型LIB机制的性能分析

3．4 LIB机制的性能实验验证

3．4．1 NS-2概述

3．4．2 LIB机制仿真结果及分析

3．5 本章小结

第四章 异构无线传感器网络的MAC协议改进—OSTS／BSTS协议

4．1 异构无线传感器网络MAC的模型表达

4．1．1 该模型的相关文献

4．1．2 改进的异构网络CSMA／CA模型

4．2 异构无线传感器网络的性能改进机制OSTS／BSTS

4．2．1 OSTS机制的信道Markov模型

4．2．2 OSTS机制的队列M／G／1／K理论模型

4．2．3 BSTS机制的信道Markov模型

4．3 异构无线传感器网络改进机制OSTS／BSTS的性能分析

4．3．1 OSTS／BSTS机制的吞吐量性能分析

4．3．2 OSTS／BSTS机制的延时性能分析

4．3．3 OSTS／BSTS机制的能耗性能分析

4．4 异构无线传感器网络改进机制OSTS／BSTS的性能实验验证

4．4．1 搭建OSTS／BSTS机制仿真实验平台

4．4．2 OSTS／BSTS机制的操作点参数特性

4．4．3 OSTS／BSTS机制的吞吐量性能验证与分析

4．4．4 OSTS／BSTS机制的延时性能验证与分析

4．4．5 OSTS／BSTS机制的能耗性能验证与分析

4．4．6 OSTS／BSTS机制的同构网络性能验证与分析

4．4．7 OSTS／BSTS机制与其它异构机制的性能比较与验证

4．5 本章小结

第五章 多跳无线传感器网络的MAC改进—MultiCSMA机制

5．1 MultiCSMA机制的模型表达

5．2 MultiCSMA机制的性能分析

5．2．1 MultiCSMA机制的1-hop节点的操作点分析

5．2．2 MultiCSMA机制的2-hop节点的操作点分析

5．2．3 MultiCSMA机制的吞吐量性能分析

5．2．4 MultiCSMA机制的延时性能分析

5．3 MultiCSMA机制的性能验证与分析

5．3．1 MultiCSMA机制的操作点性能验证与分析

5．3．2 MultiCSMA机制的吞吐量性能验证与分析

5．3．3 MultiCSMA机制的延时性能验证与分析

5．3．4 MultiCSMA机制在多跳网络中吞吐量、延时性能验证与分析

5．4 本章小结

第六章 对LIB机制的实验验证

6．1 LIB协议测试平台简介

6．1．1 基于CC2430节点简介

6．1．2 无线传感器网络操作系统TinyOS概述

6．2 LIB协议的性能测试

6．2．1 实验平台

6．2．2 LIB协议性能

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢