IEEE 802.15.4基于动态自适应的节能MAC协议设计与仿真

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IEEE 802.15.4标准是提供给低速率、低功耗和低成本设备使用的短距离无线通信协议并定义了低速无线传感器网络的MAC层和物理层规范。本文通过深入研究该协议标准,在低功耗的前提下,分析了现有无线传感器网络MAC层协议在适应负载变化环境方面的诸多不足,提出了基于动态自适应的调整超帧占空比和调整退避指数的MAC层协议的详细改进方案,并进行了相应的仿真程序设计。通过仿真测试证明了方案的可行性,对比结果表明,方案在负载变化环境下具有更好的性能。本文的具体研究和实现工作包括以下几个方面:分析主流传感网MAC层协议的核心实现机制及各自特点、优势和存在问题,深入讨论无线传感网MAC层协议中影响MAC协议能量消耗的主要因素,使用NS2对IEEE 802.15.4 MAC层协议进行仿真与性能分析。针对802.15.4 MAC协议中固定占空比和节点业务流量变化之间的不适应情况以及由此引起的分组时延和能耗之间的矛盾,通过寻找占空比和业务流量的最佳关系,提出一种根据网络当前负载情况动态调整超帧占空比的自适应机制。节点最优占空比通过在各种负载情况下进行反复仿真测试得出,在相对固定的拓扑环境下,该机制能够通过寻找能耗和时延的最佳折衷来提高传感器网络的性能。针对802.15.4 MAC层的传统CSMA/CA算法在变化负载适应上的不足,分析业务负载和退避指数、重传自增值的关系,在业务负载较高时节点成功传输后退避窗口减到最小、碰撞概率很高,由此引起重传次数增加,不断的重传引起网络恶性循环从而导致网络拥塞。论文提出一种通过感知当前网络流量、动态调整初始退避指数值BE和重传次数自增值I的退避算法──CSMA/CA-DA算法,对此进行协议改进设计、仿真测试和性能分析,在相对固定的拓扑环境下,改进算法通过寻找不同负载情况下的最优退避指数,使得节点在竞争信道时均能处于最优状态。
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