A stochastic model for beaconless IEEE 802.15.4 MAC operation

IEEE 802.15.4 is a popular choice for MAC/PHY protocols in low power and low data rate wireless sensor networks. In this paper, we develop a stochastic model for the beaconless operation of IEEE 802.15.4 MAC protocol. Given the number of nodes competing for channel access and their packet generation rates, the model predicts the packet loss probability and the packet latency. The model can also account for the impact of hidden nodes in certain situations. We compared the model predictions with NS2 simulation results and found an excellent match between the two for a wide range of the packet generation rates and the number of competing nodes in the network.     

S-MAC与IEEE802.15.4的MAC层信道利用效率研究

提出一种计算MAC层信道利用效率的方法,从成帧效率、信道共享效率和冲突避免三个方面建立模型,对无线传感网络MAC层应用协议S-MAC和IEEE802.15.4进行计算分析,并将此两种协议的信道利用效率与IEEE802.11的信道利用效率进行对比,结合软件仿真说明S-MAC与IEEE802.15.4两种协议的适用范围.     

IEEE 802.15.4 MAC 的分析与性能评估

本文针对无线传感网络中如何提高网络的传输性能的问题,提出了对不同的网络拓扑结构采用不同的传输方式。在分析了网络中两种不同的网络结构:"树形"结构及"网形"结构的基础上,运用NS2网络仿真软件,重点分析了在信标使能和非信标使能两种不同的传输方式下,通过改变发包速率来仿真两种不同网络结构中的分组投递率(丢包率)、平均端到端延时和路由开销等网络性能参数。实验结果表明,对不同的网络拓扑结构,有针对性地采用不同的传输方式确实可以提高其传输性能。     

IEEE802．15．4MAC协议分析与仿真评估

分析论述IEEE802．15．4MAC层协议，运用ns2仿真软件详细分析对等网、星型网及簇树网的网络性能，重点分析节点的能量损耗问题．并对簇树网中节点的平均剩余能量分布加以详细分析。     

IEEE802．15．4的MAC协议实现

IEEE802．15．4协议是无线传感网中多采用的一种低速率、低功耗、低成本的无线通信协议。Imote2是Intel公司推出的高集成度的无线传感器平台。文中介绍了Imote2平台以及IPF．FS02．15．4协议,及网络驱动程序的体系结构,给出了实现IEEE802．15．4的MAC协议过程中的关键函数,还对MAC协议实现中的中断服务响应以及时钟等关键问题进行了描述。并分别对节点的工作性能及组网时节点的性能及损耗进行了测试,给出了系统的性能。结果显示,该种实现方法有效地保证了系统的性能并且可以达到无线传感网组网需求。     

An Improved Markov Model for IEEE 802.15.4 Slotted CSMA/CA Mechanism

IEEE 802.15.4 protocol is proposed to meet the low latency and energy consumption needs in low-rate wireless applications,however,few analytical models are tractable enough for comprehensive evaluation of the protocol.To evaluate the IEEE 802.15.4 slotted CSMA/CA channel access mechanism in this paper,we propose a practical and accurate discrete Markov chain model,which can dynamically represent different network loads.By computing the steady-state distribution probability of the Markov chain,we obtain a...     

Markov Chain-based performance analysis of multihop IEEE 802.15.4 wireless networks

In this paper, we propose a Markov chain-based analytical framework for modeling the behavior of the medium access control (MAC) protocol in IEEE 802.15.4 wireless networks. Two scenarios are of interest. First, we consider networks where the (sensor) nodes communicate directly to the network coordinator (the final sink). Then, we consider cluster-tree (CT) scenarios where the sources communicate to the coordinator through a series of intermediate relay, which forward the received packets and do not generate traffic on their own. In both scenarios, no acknowledgment messages are used to confirm successful data packet deliveries and communications are beaconed (i.e., they rely on synchronization packets denoted as “beacons”). In all cases, our focus is on networks where the sources and the relays have finite queues (denoted as buffers) to store data packets. The network performance is evaluated in terms of aggregate network throughput and packet delivery delay. The performance predicted by the proposed analytical framework is in very good agreement with realistic ns-2 simulation results.     

IEEE 802.15.4实时通信调度算法研究

IEEE 802.15.4是低功耗无线通信媒体接入控制协议,目前已广泛应用于医疗健康、工业控制和楼宇自动化等物联网领域。为满足不同应用需求,研究者提出了多种适用于IEEE 802.15.4协议的实时通信算法。根据带宽利用率、延时约束和能效性等特征,对这些实时通信调度算法进行分类、比较和性能分析,以助于在实际应用中合理部署。另外,对未来的研究工作进行了展望。     

IEEE 802.15.4区分服务协议性能分析与建模

针对IEEE 802.15.4协议的无线传感网络不能提供数据流优先级区分的问题,提出一种基于区分服务的马尔可夫链模型以支持实时多媒体应用。该机制的主要思想是根据服务质量要求（时延敏感与否）为不同的数据流分配不同的优先级。不同优先级的数据采用不同的增长因子来更好地减少冲突。此外,为了弥补低优先级数据流,高优先级的数据流在第二次空闲信道评估发现信道空闲时并不立即接入信道而是以一定的概率竞争信道。数学分析表明,对不同数据流设置合理的增长因子和竞争概率能够显著提高高优先级数据流的性能并对低优先级数据影响较少。     

支持异构数据通信的IEEE 802.15.4实时带宽分配算法

IEEE 802.15.4协议的GTS分配机制能够支持实时和延迟约束的应用,目前已经应用于医疗健康、工业控制和楼宇自动化等物联网领域。但是,在高速实时异构数据传输应用中仍然存在局限性,它不能解决多于7个设备需要实时服务、时延约束小于超帧长度以及不同周期异构数据传输等问题。为了摆脱这些限制,提出一种新的支持异构数据通信的IEEE 802.15.4实时带宽分配算法,其根据不同周期任务的数据传输信息,调整部分传输任务的发送时间。性能分析显示,该算法可以严格遵循时延约束条件,满足异构数据通信,提高带宽利用率,提升整个网络的性能。     

基于802.15.4的低速率拒绝休眠攻击及其防御机制研究

拒绝休眠攻击是一类致力于快速耗尽节点能量的特殊拒绝服务攻击,无线传感器网络如何防御恶意节点的低速率拒绝服务攻击,保障节点正常生命周期是一个重要的问题.IEEE 802.15.4作为目前无线传感器网络较常使用的一种MAC协议,存在着信标广播漏洞.本文首次提出了一种针对该漏洞的拒绝休眠攻击方法及其防御机制,并通过仿真实验验证了攻击的危害性和防御机制的有效性.     

面向IEEE802.15.4协议的跳频信道接入方法

IEEE802.15.4协议中2.4 GHz频段的信道极易受Wi-Fi等信号干扰,且其规定节点丢失信标帧数量超过aMaxLost?Beacons 就判定为孤立节点,需要重新扫描信道进行重新同步,这必将导致较大吞吐量降低和时间消耗。本文分析IEEE802.15.4和IEEE802.11在2.4 GHz频段中信道重叠规律,提出一种利用信标帧的周期性作为跳频函数输入变量生成的跳频序列,以此快速选择未受干扰的信道,该方法不需增加信标帧负荷和开销,且简单易实现。Wi-Fi干扰源测试结果表明,平均吞吐量最低能提高约16%,平均传输延迟由25.86 ms降低到9.07 ms。     

IEEE 802.15.4协议在矿井无线传感器网络中的改进应用

综合分析了无线传感器网络在煤矿井下的研究发展现状,对无线传感器网络在井下应用的关键问题作了探讨.搭建了无线传感器网络性能分析平台,设计了3种典型的带状井下无线传感器网络仿真场景.仿真结果证明了改进的有效性与必要性.     

增强安全性的IEEE802.15.4协议研究

IEEE 802.15.4标准因其低速率、低成本、低功耗、高质量,被认为是无线传感器网络和无线个人域网络的理想实现技术。简要介绍了无线传感器网络及其主要特点和问题,及无线传感器网络的安全需求。提出了增强安全性的IEEE802.15.4协议SE-IEEE802.15.4研究,其中使用公钥加密算法ECC来实现IEEE802.15.4协议的数字签名。最后采用NS-2平台对其进行仿真,并进行了性能和安全性的分析。     

IEEE 802.15.4 MAC协议能耗与时延均衡的GTS调度新算法设计

简述了IEEE 802.15.4 MAC协议中超帧结构和保护时隙(GTS)分配机制,分析了星状网络中信标使能模式下设备节点利用GTS方式通信时超帧结构中各参数对能耗与时延性能的影响.在此基础上设计了一种GTS调度新算法,该调度算法对时延期限小的节点优先进行GTS分配并在满足其时延要求情况下,根据业务量调节超帧结构中的超帧序号SO与信标序号BO,使设备节点能耗降到最低,从而实现星状网络中各节点的能耗与时延均衡,并用NS2仿真评估了调度新算法性能,其研究可为无线传感网络的实时应用系统提供参考价值.     

基于马尔可夫链的IEEE802.15.4网络防丢包信道访问机制研究

为了降低802.15.4MAC层数据帧丢包率,在分析丢包率的原因基础上,提出了一种基于Markov链的信道竞争机制模型。通过对网络发送、退避和信道检测状态的稳态概率进行数学推导,研究了信道碰撞和数据帧的丢包率分析式;最后研究了参数数据包到达速率、节点数量、误码率、后退指数、后退等待次数对碰撞概率和丢包率的影响。实验结果表明,与节点无休眠态的802.15.4网络相比,节点丢包率平均降低了23.7%,模型较好地描述了提出的MAC层信道访问机制,合理的网络参数设置能够优化数据帧丢包率,研究结果对无线传感网的应用提供可靠传输优化参考。     

Design and implementation of enhanced IEEE 802.15.4 for supporting multimedia service in Wireless Sensor Networks

Recently, there has been a growing demand to incorporate multimedia content delivery over the Wireless Sensor Networks (WSNs). This feature could not only enhance several existing applications in the commercial, industrial, and medical domains, but could also spur an array of new applications. However, the efficient gathering of still images, audio, and video information in WSNs imposes stringent requirements on the throughput and energy consumption. Most wireless communication standards with high or moderate data throughputs do not focus primarily on energy efficiency. The IEEE 802.15.4 WPAN standard provides a widely accepted solution for low-cost and low-power wireless communication, with a potential to cater to many types of application scenarios. IEEE 802.15.4 MAC includes features such as its dual operational modes (Non-Beacon-enabled mode/Beacon-enabled mode), which make this standard more attractive for providing multimedia services over the networked sensors. Its Beacon-enabled mode can conserve energy by using the RF sleep mechanism, but it is limited by the lower data throughput. On the other hand, the Non-Beacon-enabled mode can offer higher data throughput but at the expense of significant energy consumption, mainly due to the idle listening problem. In order to overcome these issues, we propose an enhancement to IEEE 802.15.4, named TEA-15.4, which adaptively adjusts the active period based on traffic information. To detect data traffic in the network, the proposed scheme utilizes two techniques: Arbitrary Traffic Signal (ATS) and Traffic Time-Out (TTO). By utilizing these two techniques, the proposed TEA-15.4 can not only support enough data throughput to carry out multimedia communications, but also offer lower energy consumption for the sensing device in WSNs. For performance evaluations, we implement our proposed scheme and the IEEE 802.15.4 full-standard on the TinyOS. Based on the results gathered from testbed experiments and the TOSSIM simulator, TEA-15.4 is shown to be a suitable mechanism for Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs).     

IEEE 802.15.4对WLAN抗干扰性能的实验研究

针对2.4 GHz频段内的IEEE 802.15.4,研究其与无线局域网共存时的抗干扰性。实验设定了多种场景并测试了实际应用环境中IEEE 802.15.4的通信质量。实验数据表明,WLAN干扰可使IEEE 802.15.4数据丢包率高达94%。通过实验数据分析得到了IEEE 802.15.4通信节点丢包率与WLAN信道、节点发送功率以及RSSI的相关性,为研究WSN的同频抗干扰技术提供了有价值的实验依据。     

基于IEEE802．15．4接收机灵敏度测试的设计与实现

在设计符合IEEE802．15．4规范的射频通信系统过程中,系统性能测试是备受关注的问题。文章提出了在使用Agilent无线连接测试仪N4010A测试射频通信系统接收机灵敏度时。如何使用MATLAB软件设计符合N4010A任意波形文件规范和IEEE802．15．4接收机灵敏度测试规范的IEEE802．15．4／ZigBeeTM波形文件。将该波形文件载入N4010A,实现了射频通信系统接收机灵敏度的测试。     

IEEE802.15.4协议的无线传感器模块的设计与应用

IEEE802.15.4协议是针对短距离、低负载设计的无线通讯协议,利用其特点设计了一个无线传感器原型,包括基于Philiphs的P89LV51RD2处理器和Freescale的MC13192无线芯片的无线传感器节点硬、软件设计开发,最后将其应用于小区无线燃气抄表项目。