论文部分内容阅读
本文对无线传感器网络媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)协议原理与性能进行研究,提出了改进的MAC协议。首先,本文论述了无线传感器网络的应用领域、体系结构、发展情况、网络特点以及关键技术。然后介绍了Zigbee的起源发展,它的基础是IEEE 802.15.4,因此详细介绍了IEEE 802.15.4协议,它仅包括物理层和MAC层,本文重点对MAC层进行了介绍,包括数据传输方式以及信道接入机制。主要介绍了IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA机制,并重点对其退避进行了研究。在IEEE 802.15.4中,每次传输之前节点首先从[0, W0]之间随机选择退避周期数进行退避,在此,W0等于2BE-1,称为最小退避周期,BE为退避指数。节点的退避并不考虑当前信道的状况,退避计数器一直递减,当值到达零时,进行2次CCA(clear channel assessment)检测,当2次CCA信道都为空时,接入信道,进行传输。本文根据信道接入机制,研究了其马尔可夫(Markov)模型,用数学公式推导出第一次CCA和第二次CCA以及节点传输的概率,并由此得到系统吞吐量和能量效益的表达式,对其进行了理论分析,找出了不同节点数下吞吐量和能量效益与传输概率和最小退避周期的关系。最后,本文使用网络仿真软件OPNET对系统性能进行了仿真验证。介绍了仿真软件对IEEE 802.15.4仿真模型的实现方法。搭建了星型网络模型,仿真了不同参数(包长,退避指数)对其性能的影响,并将实际结果与理论值进行了对比,验证了利用Markov链分析CSMA/CA算法性能的正确性。然后研究了一种精确而简便实用的节点数估计方法,根据计算出的不同节点数下吞吐量和能量效益与最小退避周期的关系,提出了两种改进的MAC协议——BeMAC协议和PeMAC协议。在IEEE 802.15.4中,最小退避周期是固定的,在改进的协议中系统根据节点数的不同选择最小退避周期,通过实际仿真可知,BeMAC协议能显著提高系统吞吐量,PeMAC协议能显著提高能量效益。