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为了满足对“无处不在的计算”越来越强烈的需求,无线传感器网络在过去的十年中经历了前所未有的发展。由于无线传感器网络技术的不断进步,近来出现了许多专门针对这一高速发展的网络技术领域而设计的通信协议,其中能量有效性是协议设计时所需要考虑的一个关键因素。自IEEE 802.15.4标准推出以来,其就被广泛认为是非常适合于低成本、低功耗、和低复杂度应用的最重要的通信协议之一,因此其也被当作是低速率无线技术实现方案的一个重要基础。为了实现IEEE 802.15.4 MAC的能量有效性,首先进行了全面而细致的仿真实验。并特别引入了单位数据包能量消耗的性能评估指标,以研究占空比和数据包发送间隔对IEEE 802.15.4 MAC能量有效性的影响。对于IEEE 802.15.4来讲,减少节点功率消耗最有效的方法之一是启用可选的休眠模式,从而使网内节点能够在特定情况下进入该低功耗的工作模式。为了有效地描述启用休眠模式的IEEE 802.15.4 MAC,提出了一种新的引入休眠状态的IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA算法Markov分析模型。分析了协议参数对吞吐量和功率消耗的影响,其中特别考虑了占空比和非饱和负载的影响。之后讨论了模型参数数值结果,以对协议进行进一步的理解。可以看出,分析模型给出的理论分析结果对仿真结果有较精确的拟合,并且该模型可以有效用于描述休眠模式对IEEE 802.15.4协议性能所产生的影响。考虑到网络的功率消耗和端到端时延两者之间的相互矛盾,在IEEE 802.15.4 MAC的基础上,还提出一种有效的占空比独立自适应算法。该算法可以使协调器独立地根据各节点的数据帧发送队列信息对各节点的占空比和信标间隔周期同时地进行自适应调节。此外,还充分利用了之前IEEE 802.15.4 MAC协议建模时所作的理论假设,将一种简单易行的节点提前休眠机制引入到提出的占空比自适应算法中,以充分保证其能量有效性。仿真结果表明,该算法可以使IEEE 802.15.4网络的功率消耗和端到端时延在不同的网络负载条件下取得良好的平衡,同时改善了网络的吞吐量性能。