基于TDMA的应用于WBAN的MAC设计

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随着传感器技术,无线通信技术以及微电子制造技术的发展;低功耗无线技术在越来越多的领域广泛应用。随着人类周边无线设备的增加,以人体为中心的网络成为了可能。无线体域网络(WBAN),这种由人体相关的网络元素组成的通信网络,被提了出来。其最基本的应用是在医疗领域。但是对于这种网络,由于节点能量极度受限(特别是植入式设备),导致了节点的通信能力及计算能力都很有限,极大的限制了该网络的应用。如何降低节点能耗,延长网络生存期成为了WBAN网络的首要目标。本文研究了无线体域网的主要场景,分析比较了其可能的网络结构。又由于传感器节点的主要能耗都源于收发机的工作,而MAC层则主要起着调度收发机的作用。所以一个好的MAC层协议可以很好的解决终端节点空闲侦听,信息碰撞,过侦听等现象,可以极大的节省节点功耗。本文研究了IEEE802.15.6草案中给出的物理层协议。分析了国内外针对无线体域网提出的MAC层协议的优缺点,重点分析了IEEE802.15.6草案中给出的MAC层协议及一种基于TDMA的复超帧结构的MAC层协议。综合分析说明了IEEE802.15.6草案中的MAC层协议可能导致的节点功耗的浪费。为了解决能量浪费的问题,本文研究了一种有复超帧结构的M-MAC协议。本文先初步分析了该协议在节能上的可行性。接着具体说明了该复超帧结构,并通过采用时漂调节因子的变保护带算法,针对不同的情况加入时漂调节因子调整保护带的宽度,从而减小了保护带与实际时漂之间的误差。在OPNET中建立了无线体域网的网络模型,其中MAC层采用M-MAC协议及IEEE802.15.4草案中的MAC协议进行了对比仿真。将仿真的结构导入MATLAB绘制了对比曲线。比较了不同节点状态下,M-MAC相对于IEEE802.15.6草案中MAC层协议在终端节点能耗上的优势。本论文根据无线体域网的具体应用,分析比较得出最适合的网络拓扑结构为星形拓扑结构。而根据这种网络结构,我所提出的M-MAC相对IEEE802.15.6草案给出的MAC层协议,可以有效节省终端节点能耗25%——87%。
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