基于减少偷听的IEEE 802.15.4网络节点能耗降低方法*

为了优化IEEE 802.15.4 MAC协议能耗性能,针对IEEE 802.15.4 MAC协议存在的空闲偷听现象浪费节点能量问题,提出一种基于减少偷听的降耗方法：节点于超帧竞争接入时期内的退避时期适时地进入休眠状态。应用该方法建立了IEEE 802.15.4 MAC时隙CSMA/CA机制的Markov模型,并对模型进行了数学推导。基于本模型,对网络节点平均能耗进行了数学分析。理论分析和仿真结果表明,该模型有效地降低了节点的平均能量消耗和空闲偷听时间,协议性能得到有效改善。     

基于ARM的无线传感器网络MAC协议设计与实现

针对无线传感器网络的特点, IEEE 802.15.4标准以其低速率、低功耗、短距离等技术特征成为无线传感器网络底层协议栈的最佳选择之一。研究IEEE 802.15.4介质访问控制(MAC)层协议栈后,在ARM9 Linux平台上设计并实现IEEE 802.15.4 MAC层协议栈软件,软件最终以Linux字符型驱动的形式发布。结果表明,软件能完整实现IEEE 802.15.4 MAC层协议,具有较大的实用性和扩展性。     

体域医学传感器网络的设计及其QoS性能分析

提出医学无线传感器网络（MWSNs）的三层体系结构,并重点分析体域医学传感器网络的组成结构和网络传输需求。设计了基于IEEE 802.15.4无线个域网协议的体域医学传感器网络（BA-MWSN）,其拓扑结构采用星型,MAC采用时隙CSMA/CA机制。通过网络仿真评估了该BA-MWSN的QoS性能,分析表明：该网络能满足体域MWSNs的网络传输要求;设置合理的节点数量、网络负载和使用长帧可以获得较高的网络利用率和可靠性。     

一种无线传感器网络MAC层协议设计与实现

针对节点总量不多、通信实时性要求不高的应用环境需求,参照IEEE802.15.4协议标准,提出一种高效、低能耗的无线传感器网络MAC层协议的设计与实现方法.协议的软件设计主要采用中断控制和函数回调方式,物理层通过对无线收发器的睡眠管理实现低功耗,MAC层采用时隙CSMA-CA机制进行信道管理.网络节点分为普通节点和协调器,普通节点采用POLL轮询及睡眠机制,与协调器进行间接数据传输.实验表明,应用系统实现了低能耗和高效率.     

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.     

基于Wi-Fi的无线控制网络TDMA协议的设计

为解决多种网络协议共存的混合无线网络环境中,控制信息高速、实时、可靠传输的问题,在IEEE802.11协议MAC层基础上开发了TDMA协议。该协议在充分利用Wi-Fi高传输速率的同时,解决了Wi-Fi退避重传机制导致传输时延不确定的问题,增强系统的实时性。实验结果表明,协议在保证95%以上的传输可靠性的同时,传输速率可达5 Mb/s,相较于典型的基于IEEE 802.15.4协议的工业控制网络有大幅提高。TDMA系统中的短帧中有95.4%、长帧中有89.87%可以在2 ms以内的发送完成,传输时延远低于原有的Wi-Fi标准。此外,系统不改变上层协议栈,保持接口的兼容性,便于控制应用程序的开发。     

基于ABE算法的2.4GHz IEEE 802.15.4网络模拟研究

针对IEEE 802.15.4网络的MAC层采用基于时隙的CSMA/CA标准算法可能引发数据封包碰撞和网络拥塞的问题,参考ABE算法对标准算法进行了改进,并采用NS-2网络模拟软件对基于时隙的CSMA/CA标准算法与ABE算法对2.4 GHz频段上的IEEE802.15.4星型网络性能进行了模拟实验。结果表明,基于ABE算法的2.4 GHz IEEE 802.15.4网络在网络吞吐量、数据封包成功传输率、网络公平性、LQI类型封包遗失数量等方面的性能都得到了有效提升。     

基于OPNET的无线传感器网络MAC协议研究

在无线传感器网络中,MAC协议是网络高效通信的重要保证。本文利用OPNET仿真平台,对低速无线个域网(LR-WPAN)中IEEE802.15.4的MAC协议的超帧结构和时隙保障(GTS)机制进行研究。仿真实验中构建了小型星型网络,能更清楚地反映网络中的平均能量消耗情况,并通过设置不同的仿真场景,说明了GTS机制能有效节省电源能量,为大型无线传感器网络的设计提供了重要依据。     

低速无线个域网隐蔽站问题研究

低速无线个域网标准IEEE802.15.4协议MAC层的主要目标是有效地减少能量的消耗,而并没有考虑如何有效地减少隐蔽站问题的产生.在无线多跳网络中解决隐蔽站问题主要方法有RTS/CTS和调节载波侦听范围等办法,但是均不适用于低速无线个域网.在对基于IEEE802.15.4的时隙CSMA/CA退避算法和隐蔽站问题产生的原理进行深入分析的基础上,得出了在节点均匀分布的情况下退避指数的最小值macminBE相对于发帧成功率的表达式,提出了通过调节macminBE,来减少由于隐蔽站问题引发的帧冲突的方法.并通过NS2仿真实验验证了方法的可行性.克服了现有方法的不足,较大地提高了网络的性能.     

一种适用于无线传感器网络的移动IPv6协议

在基于IEEE 802.15.4 标准的低功耗无线传感器网络LoWPAN 中,让节点在移动过程中与IP 网络节点保持连续通信是物联网领域的一个重要课题.在现有的移动IPv6 协议(如MIPv6,HMIPv6 等)中,一些用于移动性管理的信令包长度超过了IEEE 802.15.4 MAC 帧的最大载荷,它们被分成多个分片在LoWPAN 中传递,这增大了控制信令包的丢失概率和传递时延.提出一种WoMIPv6(WPAN oriented MIPv6)协议,利用头部压缩技术将移动性管理信令长度压缩到不到60 字节,能够让节点只交换一些简短的信令包即可完成节点的跨子网移动切换.也就是说,WoMIPv6 协议的移动性管理信令不需要分片就可以在单个IEEE 802.15.4 MAC 帧中传递.此外,推导了WoMIPv6 的时延表达式.数值分析结果表明,在信令长度开销和时延方面,WoMIPv6 协议优于HMIPv6 协议.     

An Adaptive GTS Allocation Scheme for IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 is a new standard uniquely designed for low-rate wireless personal area networks. It targets ultralow complexity, cost, and power for low-rate wireless connectivity among inexpensive, portable, and moving devices. IEEE 802.15.4 provides a guaranteed time slot (GTS) mechanism to allocate a specific duration within a superframe for time-critical transmissions. This paper proposes an adaptive GTS allocation (AGA) scheme for IEEE 802.15.4, which considers low latency and fairness. The scheme is designed based on the existing IEEE 802.15.4 medium access control protocol, and IEEE 802.15.4 devices can receive this AGA service without any modification. A simulation model and an analytical model are developed to investigate the performance of our AGA scheme. The numerical results show that the proposed scheme significantly outperforms the existing IEEE 802.15.4 implementation.     

基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络性能分析*

通过将IEEE 802.15.4标准中的超帧与无线传感器网络的LEACH协议结合,在星型网络拓扑下,网络节点通过申请超帧中的GTS来进行无冲突的数据通信,对使用GTS传输数据的这一过程进行了研究,从理论上分析了无线传感器网络的网络性能.仿真结果说明了网络控制参数对网络性能的影响,为今后无线传感器网络应用中的参数配置提供了一定的理论基础.     

面向最小延迟的无线mesh网络时隙分配问题研究

在基于IEEE802.15.4的工业无线传感器网络中,通过时分复用技术来实现节点间并行通信,以提高网络的吞吐量.通常,网络中的管理器根据全网拓扑对网络中的每个连接分配一个超帧中相应的时隙.不同的时隙分配方案中,连接在超帧中活动的顺序也不同,对网络性能的影响也不同.本文研究了不同时隙分配方案在网络吞吐量和数据延迟方面对网络的影响,定性分析了时隙分配方案与数据延迟的关系,并根据mesh结构的特点提出一种使用粒子群优化的算法,用于在网络管理器上对时隙分配进行优化,使得数据延迟最小化,以满足工业无线网络实时性应用的要求.     

基于冲突指示和分组隐藏节点冲突解析策略

隐藏节点问题是导致IEEE 802.15.4 协议性能下降的一个重要因素,而在IEEE 802.15.4 中没有给出解决该类问题的具体方案.提出一种基于冲突指示和分组的隐藏冲突避免策略（hidden node collision detection and avoidstrategy,简称HNCDAS）,该策略采用分组方法将IEEE 802.15.4 的CAP 周期划分为多个等分时隙,从隐藏冲突导致的部分破损帧中提取出隐藏节点地址信息,依据当前获得的隐藏关系动态地将节点调整到相应的竞争组,竞争组内的节点在同一周期内仍按照二进制后退方法竞争发送消息,不同的竞争组在不同的时隙发送消息,从而彻底解决隐藏冲突问题.与其他隐藏冲突解析策略相比,HNCDAS 具有额外开销少和动态调整等优点.从理论上证明了该策略的收敛性和解析策略时间的上限,实验结果表明,HNCDAS 在数据传递率、吞吐率和能量利用率等方面都有明显的提高.     

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标准的无线传感器网络

设计实现了一种基于IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络,传感器对周围的环境进行监测,内嵌的单片机对数据进行处理,通过基于IEEE 802.15.4标准的无线模块进行无线传输,构成一个无线传感器网络.对无线传感器的结构设计和无线传输网络的具体实现过程进行了阐述,最后,给出了实验数据,并进行了分析.     

ZigBee无线传感器网络协议及仿真设计

以ZigBee为代表的低速率无线局域网与IEEE 802.15.4标准相结合,实现无线传感器网络WSN和Internet的互通,是WSN的发展方向。通过对ZigBee和IEEE 802.15.4的分析研究,并针对IEEE 802.15.4规范规定的物理帧、MAC帧的具体格式,进行了仿真关联平台的设计,为ZigBee/IEEE 802.15.4网络设计打下了坚实的基础。ZigBee网络的应用配置、性能分析和改进优化等,也是今后研究的方向。     

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。     

Mutual interference analysis of IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11b

IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11b, operating in the 2.4 GHz unlicensed industrial scientific medical (ISM) frequency band, may lead to signal interference and result in significant performance degradation when devices are collocated in the same environment. The main goal of this paper is to evaluate the effect of mutual interference on the performance of IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11b systems. An analytic model for interference between IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11b is suggested. The packet error rate (PER), transmission delay, and throughput are evaluated for IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11b. The power spectral density of the IEEE 802.11b is considered in order to determine in-band interference power of the IEEE 802.11b to the IEEE 802.15.4. The simulation results by OPNET are shown to validate the numerical analysis.     

Scheduling of wireless control networks based on IEEE 802.15.4 networks: Mixed traffic environment

This paper describes a scheduling method of wireless control networks for factory automation using IEEE 802.15.4 networks. The superframe of IEEE 802.15.4 is used for the transmission of real-time mixed data for wireless control systems. The schedulability of real-time data is defined, and scheduling algorithms are proposed for the efficient transmission of real-time mixed traffic. Simulation results show enhancements in the average network utilization and packet drop rate for real-time data.