基于ZigBee簇树网络的MAC时间调度算法研究

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由于无线信道的广播特性,无线网络中任一节点发送的无线信号都可能被其通信范围内的其他节点接收。因此,当位于同一地理区域范围内的节点同时传输信号时,会形成相互干扰,从而导致无法正确接收。特别是在带信标的ZigBee簇树网络中,父节点周期性的发送信标来同步簇内子节点,如果信标发生冲突,子节点无法收到信标,就无法和父节点通信,后果是很严重的。有效协调多个簇共享无线信道资源,避免冲突发生是ZigBee簇树网络面临的关键问题之一,直接影响着无线资源的使用效率、网络吞吐和时延等重要性能。带信标的ZigBee簇树大规模网络中,信标帧之间、信标帧与数据帧之间的冲突非常明显,而且缺乏调度,本文就是要解决这个问题,设计改进的簇间MAC协议。   首先,本文介绍了ZigBee无线通信技术,重点分析了MAC层超帧结构、帧结构和ZigBee簇树网络的形成过程。   其次,主要针对ZigBee簇树网络存在的问题进行了分析,对解决问题的方案进行对比归纳,选择基于时分的方案作为本文的方案。对基于时分的簇间调度机制进行数学建模,并提出TD-ASD算法的设计方案,其基本思想是:根据簇内网络流量的大小,自适应调整SD值,提高带宽利用率,而后,根据轮盘模型将各个SD有规律的在时间轴上铺开,达到避免冲突的效果。从理论上讲,运行算法后,可以完全避免簇间冲突,也可以适应网络业务的动态变化。然后为了提高TD-ASD算法的性能,并利用图论中的着色算法对父节点进行分组,使得满足条件的父节点可以同时发送信标帧,大大提高了网络的容量。   最后,本文通过NS2仿真软件对TD-ASD算法及其改进算法进行了仿真验证,验证分为可行性和性能验证两个部分。结果表明,TD-ASD算法及其改进算法可以运用在ZigBee网络中,并且在不同的输入业务条件下,特别是网络业务量比较重的情况下,与传统的ZigBee算法比较,本算法提高系统吞吐量,降低网络工作负载,降低了端到端的平均延迟。
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