（通信与信息系统专业论文）ieee802154mac协议研究.pdf

信息工程大学硕士学位论文摘要近几年来，无线传感器网络的概念已经逐渐渗透到了无线通信的各个应用领域。i e e e 8 0 2 1 5 4 作为一种专为低速率无线个人区域网络( 1 0 wd a t ar a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，l r w p a n ) 而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信新标准，为无线传感器网络提供了一种很好的解决方案。本文以国家发改委项目“i p v 6 无线传感器网络节点”为基础，围绕i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议展丌研究。第一部分介绍了无线传感器网络的概念及发展、传感器网络体系结构及其节点结构，阐述了m a c 协议的发展状况、分类及其设计需求，并对i e e e 8 0 2 1 5 4 的发展情况、协议栈框架、及其与z i g b e e 之间的关系等相关内容加以总结。第二部分深入研究i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议，在介绍节点分类、网络配置及网络类型的基础上，重点分析了i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议基本思想及其工作原理，并对协议中各项关键技术进行分析与总结。在n s 一2 仿真平台中，分别针对星型、点对点及树型网络拓扑结构，对该协议性能进行仿真分析。仿真结果表明：i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议不适用于网络拓扑结构变化较快的场合；在较低业务载荷的前提下，具有较高的分组递交率性能：节点采用间接传输通信方式会更加节能，然而会带来较大的分组平均时延；所提供的可选确认机制，能够保证分组的可靠传输。第三部分完成了c s m a c a 和关联组网等i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议主要功能实现。所实现的m a c 层功能模块可以通过接口与应用测试模块、硬件抽象层模块进行信息交互。目前已在p c 机和d z l 6 1 1 d z l 6 1 2 实验板上完成了对m a c 层功能模块的测试，结果表明：该模块功能正常，能够为上层提供所需服务。论文最后一部分对i e e e 8 0 2 1 5 4 中的树型网络结构做近步研究分析，根据其业务量分布特性以及多跳带来的传输时延问题，提出一种自适应调整超帧激活期长度的i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议改进方案并基于m a r k o v 随机过程模型对其进行了理论分析。仿真与分析结果表明，改进后的m a c 协议在满足与i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议具有相近的能量损耗条件下，能够获得更好的分组平均传输时延性能。关键词：无线传感器网络，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，m a c 协议，自适应超帧激活期第v i i 页信息： 程大学硕士学位论文a b s t r a c ti nt h el a s tf e wy e a r s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t 、v o r k sh a v ep e n e t r a t e daw i d ev a r i e t yo f 印p l i c a t i o nd o m a i n s i e e e 8 0 2 1 5 4i san e ws t a n d a r du n i q u e l vd e s i 窖n e df o rl o wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s i tt a r g e t sl o wd a t ar a t e ，1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wc o s tw i r e l e s sn e t w o r k i n g t h ee n e 嚷y e f 矗c i e n c ya n dr o b u s t n e s so ft h i sn e ws t a n d a r dm a k e si tas t r o n gc a n d i d a t et ob eaf e d e r a t i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i st h e s i si sb a s e do nt h en a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dr e f o n nc o m m i s s i o np r o i e c t - _ i p v 6w i r e l c s ss e n s o rn e t 、v o r k sn o d e s ”，f o c u s i n go nm a cp r o t o c 0 1 so ft h ei e e e 8 0 2 15 4s t a n d a r d t h ef i r s tp a r to ft h i sa r t i c l eg i v e sa no v e r v i e wo ft h er e s e a r c ho nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i n c l u d i n gm ed e v e l o p m e n t ，s y s t e mc o n n g u r “o n ，n o d ec o n f i g u r a t i o na n de t c f u r t h e r m o r e ，w ep r e s e mt h ed e v e l o p m e n to fm a cp r o t o c o l sa n dt h er e q u i r e m e n tf o rd e s i g n i n gi t t h e nw e 西v eab r i e fd e s c r i p t i o no fi e e e 8 0 2 1 5 4 ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni e e e 8 0 2 1 5 4a n dz i g b e ei sa l s op r e s e n t e d i nt h es e c o n dp a r t ，m a cp r o t o c o l so fi e e e 8 0 2 1 5 4a r er e s e a r c h e dd e e p l yb a s e do ni n n d d u c i n gc a t e g o “e so fn o d e s ，t h ec o n f i g u r a t i o na n d 也et y p e so fn e t w o r k so fi e e e 8 0 2 15 4 ，m ei d e aa n d 也em e c h a n i s m so fi e e e 8 0 2 1 5 4m a ca r ei m r o d u c e di nd e t a i l a n dt h ea i l a l y s i sa n dc o n c l u s i o n so fi ta r ea l s op r e s e nc e d1 a t e la n e rt h a t ，w i t ht h en s 2s i m u l a t o rd e v e l o p e db yz h e n ga n dl e e ，s e v e r a le f r o r t sw e r em a d et os t u d yt h ep e r f b r n l a n c eo fi e e e8 0 2 1 5 4w i t hr e s p e c tt ot h et h r e ed i f 艳r e n tn e t w o r k i n gt o p o l o g i e s t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a ti e e e 8 0 2 15 4i sn t t e rf o rs t a t i ce n v i m n m e n t w i ml o wt r a m cl o a d s ，i tc a nr e a c hu pt oah i 啦p a c k e td e l i v e r yr a l i o b ya d o p t t i n gt h ei n d i r e c tt r a n s a c t i o nm o d e ，t h en o d e sc a ns a v em o r ee n e 唱y ，b u t t h ee n d t o e n dd e l a vm a vb es a c r i f i c e d f u n h e m o r e 。t h ea c km e c h a l l i s m sc a na l s om e e tt 1 1 er e l i a b i l i “o fs v s t e mr e q u i r e m e n tw e l l i nt h et h i r dp a n ，w ei m p l e m e n tm o s tp a n so fi e e e 8 0 2 1 5 4m a cp r o t o c o l ，s u c ha sc s m c am e c h a n i s m ，a s s o c i a t i o np r o c e s s ，a n de t c t h r o u 曲也ei n t e r f a c e sd e s i g n e df o rm a cm o d u l ei nt i n y o s ，t h em o d u l ew h i c hw ei m p l e n t m e n tc a n “c h a n g ei n f o m l a t i o nw i t lm ea p p l i c a t i o nm o d u l ea n dh a r d w a r ea b s t r a c tm o d u l ew e l l t h ed e b u g g i n go fm a cm o d u l eo np ca n dd z l 6 1 1 d z l 6 1 2b o a r dh a sa l r e a d yb e e nc o m p l e t e d ，a n di tc a np r o v i d eb a s i cs e r v i c e sf o rt h en e x tl a v e ro ni ta n dw o r k sw e l l t h e1 a s tp a r to ft h i sa n i c l ee m p h a s i z e so nt h ec l u s t e 卜t r e et o p o l o g yw h i c hi sm e n t i o n e di ni e e e 8 0 2 1 5 ，4 t h r o u g ht h ea n a l y s i so fi t st r a m cd i s t r i b u t i o na n dd e l a yc h a r a c t e f i s t i c ，a ni m p m v e ds c h e m ei sd e s c r m e d t h ep r o p o s e d8 0 2 15 4m a cp m t o c o lc a nc h a n g et h es u p e r f r a m ea c t i v ep e r i o da d a p t i v e iy ，t h cr e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n dm ea n a l y s i sb a s e do nm a r k o vm o d u l eb o t hs h o wt h a tt h i sn e ws c h e m ew i l lh a v eb e t t e rd e l a yp e r f o m 诅n c e ，m e a n w h i l e ，h a v en e a r l yt h es 唧ee n e r g vc o s ta st h e8 0 2 15 4m a cd r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，m a cp r o t o c o l ，a d a p t i v es u p e r f r a m ed u r a t i o n第v i i i 页信息工程大学硕士学位论文表目录表l 信标帧格式1l表2 数据帧格式1 l表3 确认帧格式1 2表4 命令帧格式1 2表5 仿真参数设置1 9表6t e l o s b 节点与d z l 6 1 1 d z l 6 1 2 底层布线对比表3 0第1 v 页信息工程大学硕七学位论文图目录图l 无线传感器网络体系结构2图2 传感器节点体系结构2图3i e e e 8 0 2 1 5 4 协议栈5图4z i g b e e 协议栈5图5 网络拓扑结构9图6 超帧结构1 0图7 直接传输过程。1 3图8 间接传输过程。1 4图9 网络拓扑结构示例1 6图1 0 通信过程示例1 7图1 l 信标网中节点的状态转移1 8图1 2 星型网节点分布1 9图1 3 星型网络结构中的仿真结果2 0图1 4 点对点网络结构中的仿真结果2 1图1 5 树型网节点分布2 2图1 6 树型网络结构中的仿真结果2 2图1 7 实验平台组成2 5图1 8c c 2 4 2 0 对帧结构提供的硬件支持2 6图1 9t i n y o s 应用结构2 7图2 0 软件体系结构2 8图2 l 主体实现流程2 9图2 2 发送分组时模块组成3 l图2 3 接收分组时模块组成3 2图2 4m a c 层模块内部结构。3 3图2 5 信道扫描实现流程3 6图2 6 扫描过程串口输出结果3 8图2 7 关联组网过程实现流程3 9图2 8 关联组网过程串口输出结果4 2图2 9 数据传输过程串口输出结果4 3图3 0 碰撞造成分组传输时延4 5图3 l 协调点睡眠造成分组传输时延4 5图3 2 树型网业务流量分布4 6图3 3m a r k o v 模型状态转移4 8图3 4 参数s 0 与平均时延的变化关系5 0第v 页信息 程大学硕士学位论文图3 5 改进后的8 0 2 15 4m a c 协议仿真结果5l图3 6 时延能耗综合有效性5 2第v i 页原创性声明本人声明所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：王e 匹8 塑：! ! ：壬盟8 垒蝴：缱衄空学位论文作者签名：盘。垒莹一日期：m 口，年7 月j 口日作者指导教师鹕：哥嚷墨珐一醐：印年7 月帅学位论文版权使用授权书本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：! 壁量8 堕! i ：丰幽鱼监丛鸳耋学位论文作者签名：j 己皇扛日期：) 口。7 年7 月，日作者指导撕繇_ 鞘确妥一醐。叩年7 月f o 日信息工程大学硕士学位论文第一章绪论随着通信技术的飞速发展，人们对无线移动通信尤其是短距离无线与移动通信的需求也日益增多。为满足用户对低速率、低成本、低能耗的短距离无线通信需求，2 0 0 3 年5 月i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组正式发布了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准i 。该标准针对低速率无线个人区域网( 1 0 w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，l r w p a n ) 制定了物理层( p h y ) 和媒体接入控制( m a c ) 子层规范。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的诞生为无线传感器网络及大量微控制领域应用奠定了良好的基础，也为相关产业的发展提供了新的契机。1 1 无线传感器网络概述1 1 1 无线传感器网的概念及发展无线传感器网络【2 5 l ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) ，又称传感器网络。它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络的基本思想起源于2 0 世纪7 0 年代，研究的重点主要放在国防项目上。1 9 7 8年d a r p a 在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组，拉开了无线传感器网络研究的序幕。2 0 世纪9 0 年代中期以后，美国国防部和各军事部门对传感器网络给予了高度重视，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。相继提出了“灵巧传感器网络通信”计划，确立了“无人值守地面传感器群”、“传感器组网系统”等研究项目。近年来，英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了无线传感器网络方面的工作，将其列为新型的计算发展规划中。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。从2 0 0 0 年起国际上对传感器网络的研究虽然已取得一些初步性的成果，但仍然处于起步阶段。目前，我国各研究机构也开始积极开展传感器网络方面的研究工作，取得了初步性的进展。1 1 2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络系统【6 - 8 】通常包含传感器节点、汇聚节点( s i n k ) 和管理节点。传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，它兼顾了终端和路由器的双重功能，除了进行本地信息数据采集和处理外，还要为其它节点回传的采集数据进行转发，同时还能与其它节点协同工作完成一些特殊任务。汇聚节点既可以是一个能力较强的传感器节点，也可以是没有监测功能只带有无线通信接口的网关设备，它将无线传感器网络与外部网络( 如i m e m e t ) 相连，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务并将收集的数据转发。传感器节点以自组织方式构成网络，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳第1 页信息工程大学硕士学位论文进行传输，监测数据经多个节点处理经过多跳后到达汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据。图l 无线传感器网络体系结构1 1 3 传感器节点结构传感器节点是无线传感器网络的基本组成部分，它由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成1 2 1 ，如图2 所示。处理器模块是传感器节点的核心，它负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据，该模块中的处理器又被称为节点的中央处理单元( c p u ) ；传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。；匝正圈t ；叵硒；耷+一丰i能量供应模块l图2 传感器节点体系结构1 1 4 无线传感器网络的关键技术设计合理的无线传感器网通信协议是该领域研究过程中的难点之一。在传感器网络体系结构中，物理层是决定节点体积、成本及能耗的关键环节，因而设计物理层协议要重点考虑能耗和成本问题。数据链路层中m a c 层协议是研究工作的重点，m a c 层用来构建底层的基础结构，控制节点的通信过程和工作模式。目前传感器网络通信协议的研究重点主要放在了网络层协议和数据链路层协议上。拓扑控制也是无线传感器网络研究的核心技术之一。良好的网络拓扑结构能够提高路第2 页笪：垦三堡查兰堡兰垡笙奎由协议和m a c 协议的效率，为数据融合、时问同步和目标定位等奠定基础。此外，时间网步、节点定位、数据融合与处理也是传感器网络的关键技术问题。1 15 无线传感器网络m a c 协议m a c 协议发展从1 9 9 7 年起，学者们设计了多种面向传感器网络豹m a c 协议。其中包括b e n n e t t 和c l a r k e 等提出的p i c o n e t 协议；1 9 9 9 年，s o h r a b i 和p o n i e 设计的无线传感器网络自组织m a c 协议；2 0 0 3 年，y e 和h e i d e m 珊提出了具有自协调和自适应休眠机制的s m a c 协议；以及k a l i d i n d i 和r a y 等人提出的d e m a c 协议等等【9 】。目前的传感器网络m a c 协议大都是在i e e e 8 0 2 “和t d m a 等协议基础上，以节能为主要目标展开研究的。尽管该领域的研究工作已经取得许多进展，但仍然存在一些问题有待进一步研究，如复杂度与优化性能的折中问题、与上层协议的协同问题等。此外，近几年出台的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准也为无线传感器网络m a c 协议提供了一种很好的解决方案。m a c 协议分类目前针对不同的无线传感器网络的应用，已经从不同方面提出了多个m a c 协议，但对无线传感器网络m a c 协议尚缺乏一个统一的分类方式。根据采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式，可以将传感器网络的m a c 协议分为三类【2 j ：1 ) 采用无线信道的时分复用方式( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) ，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰；2 ) 采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰；3 ) 其他m a c 协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。_m a c 协议设计需求闭m a c 协议的基本任务是解决节点共享网络媒体的接入问题。传统网络的m a c 协议重点考虑节点使用带宽的公平性，提高带宽的利用率以及增加网络的实时性等性能。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱。且无线传感器网络的功能是由众多节点协作实现等特点，许多现有的协议无法直接应用到传感器网络中。传感器网络的m a c 协议需要具有自组织和可扩展性，并能够保证一定的网络公平性和实时性，然而由于现在传感器节点的能量供应问题没有得到很好解决，传感器节点本身不能自动补充能量或能量补充不足，节约能量成为无线传感器网络m a c 协议设计首要考虑的因素。1 2i e e e 8 0 2 1 5 4 概述1 2 1i e e e 8 0 2 1 5 系列1 9 9 8 年3 月，美国i e e e 标准化协会正式批准成立了i e e e 8 0 2 1 5 工作组。这个工作组第3 页堡星三堡查堂堡主堂堡堡奎致力于无线个人域网( w p a n ) 网络的物理层( p h y ) 和媒体访问控制子层( m a c ) 的标准化工作。这一系列标准针对不同的个人应用场景，单跳传输范围都在l o 米左右。与i e e e 8 0 2系列不同，i e e e 8 0 2 1 5 系列【1 0 1 的分标准定义了不同的m a c 层机制。 i e e e 8 0 2 1 5 1 ：由i e e e 与蓝牙标准组织合作制定。它可以与蓝牙v 1 1 完全兼容。该标准工作在2 4 g h z 频段，可以提供l m b p s 的传输速率，主要适用于以较低成本实现无线耳机、无线鼠标、智能家电组网这些领域的个人应用。l e e e 8 0 2 1 5 2 ：定义了一个共存模型以量化无线局域网( w l a n ) 和w p a n 的共享冲突，同时还制定了一套共享机制以解决w l a n 和w p a n 设备的共存问题。i e e e 8 0 2 1 5 3 ：为视频会议、实时网络游戏、高清晰度电视等高速率个人应用程序设计的标准，它追求更高的传输速率和服务品质。 i e e e 8 0 2 1 5 4 ：针对低成本、低能耗的l r - w p a n 设计，旨在为个人或者家庭范围内不同设备间低速互连提供统一标准。其潜在的应用领域有无线传感器网、遥控玩具、工业监测及家庭自动化装置等。1 2 2l e e e 8 0 2 1 5 4 标准与z i g b e e 技术8 0 2 1 5 4 的发展2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 8 0 2 1 5 4 ( 以下简称8 0 2 1 5 4 ) 任务小组正式成立，负责制定m a c 层与物理层规范。8 0 2 1 5 4 任务小组于2 0 0 3 年2 月通过了8 0 2 1 5 4 草案，同年5 月正式发布了8 0 2 1 5 4 标准，该标准把低功耗、低成本作为设计的主要目标，其网络设备典型的通信范围为l o 米左右。由于8 0 2 1 5 4 标准的网络特征与传感器网络有很多相似之处，所以很多研究机构把它作为传感器网络的通信标准。目前8 0 2 1 5 4 小组正在着手制定8 0 2 1 5 4 b 标准，8 0 2 1 5 4 b 标准主要是对8 0 2 1 5 4 标准做进一步的完善工作，包括：解决标准有争议的地方、降低复杂度、提高适应性并考虑新频段的分配等。8 0 2 1 5 4 只是定义了m a c 层和物理层通信标准，还不足以保证不同设备间的信息交互，于是在该标准出台后不久，由h o n e y w e l l 、m i t s u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 与i n v e n s y s 等企业成立的z i g b e e 联盟于同年发布了z i g b e e 规范】，并于2 0 0 4 年1 2 月通过了1 0 版z i g b e e 规范。该规范在8 0 2 1 5 4 标准的基础上制定了网络层、应用层相关协议。通常情况下，将8 0 2 1 5 。4标准和z i g b e e 规范统称为z i g b e e 技术。一些研究人员也常常直接把8 0 2 1 5 4 称作z i g b e e ，实际上8 0 2 1 5 4 只是z i g b e e 的子集。8 0 2 15 4 z i g b e e 协议栈8 0 2 1 5 4 网络协议栈i m l 基于开放系统互连模型( 0 s i ) ，每层实现一部分通信功能，并向高层提供服务，如图3 所示。8 0 2 1 5 4 标准定义了单一的m a c 层和多样的物理层。m a c 子层以上的几个层次，包括特定服务聚合子层( s e r v i c es p e c m cc o n v e 娼e n c es u b l a y e r ，s s c s ) ，链路控制子层( 1 0 9 i c a ll i n kc o n 仃o l ，l l c ) 等，只是8 0 2 1 5 4 标准可能的上层协议，并不在该标准的定义范围之内。8 0 2 1 5 4 协议栈是8 0 2 1 5 4 小组制定该项标准时所设计的通用协议体系架构。在此之第4 页信息t 程大学硕士学位论文和m a c 层作为底层协议，在其之上增加了网络层、安全层和应用层协议，如图4 所示。目前，z i g b e e 协议栈已经获得上百家公司的支持。i上层协议j f两绢层jel8 0 22 l l cl3 ls s c sljl、ii e e e 8 0 21 54 m a c圈1 巍+z i g & e 联盟+厂面面瓜而万千亡至亟至亘亘 班雠学”4图3i e e e 8 0 2 1 5 4 协议栈图4z i g b e e 协议栈夺物理层8 0 2 1 5 r 4 标准定义了两个物理层标准，8 6 8 ，9 1 5 m h z 物理层和2 4 g h z 物理层。8 6 8 m h 2 ( 欧洲) 频段上只有一个信道，传输速率为2 0 k b s ；9 1 5 m h z ( 美国) 频段有1 0 个信道，传输速率为4 0 k b s ；2 4 频段有1 6 个信道，能够提供2 5 0 k b s 的传输速率。物理层主要完成激活和休眠无线射频收发器，信道能量检测，空闲信道评估等功能。m a c 层8 0 2 1 5 4 的m a c 层主要包含以下功能：协调点产生并发送信标帧，普通节点通过信标帧与协调点进行同步通信；支持w p a n 网络的关联和解除关联机制；提供信道接入机制；支持不同节点间的m a c 层的可靠传输；支持无线信道的通信安全等。网络层z i g b e e 规范中的网络层主要实现节点加入或离开网络、储存相关邻节点信息、路由发现和路由维护等功能。安全层安全层用于保证网络中的便携设备不会意外泄漏其标识以及其它节点不会俘获传输中的信息。应用层应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。_8 0 2 15 4 ，z i g b e e 的特点z i g b e e 具有低速率、低能耗和低成本的特点，其中低能耗是其主要的技术优势。这一特点使得设备使用两节5 号电池即可工作6 个月甚至两年。除此之外，基于该标准组建的第5 页堕皇! ：垦盔兰堡主竺生笙奎网络还有网络容量大、数据传输可靠性高、适应性强等优势。一个8 0 2 1 5 4 网络可以容纳最多6 5 5 3 5 个节点。协议简单且存储空间小，并由于其可以工作在2 4 g h z 免许可证频段等原因，使得采用该协议设计的节点成本大大降低，每块芯片的价格大约2 美元左右。其中的m a c 协议主要采用载波侦听冲突避免( c s m c a ) 信道接入机制减少分组的碰撞，并通过采用确认( a c k ) 机制保证了数据传输的可靠性。一8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的应用基于以上特点，z i g b e e 技术将能够满足多种应用领域需求，并且在家庭领域中应用最为广泛。其典型应用有【坫l ：1 数字家庭领域家庭领域中的应用主要包括温度、照明以及对窗帘、窗户、门和锁的控制等。例如相关设备中安装z i g b e e 模块，当你打开电视机时，灯光会自动减弱：当电话铃晌起时或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。通过z i g b e e 终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。2 工业自动化领域通过历g b e e 网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，掌握工厂的整体信息。例如火警的感测和通知，照明系统的感测，生产机台的流程控制等，都可由z i g b e e 网络提供相关信息，以达到对工业与环境的控制目的。3 智能化交通领域沿着街道、高速公路及其他地方分布式地安装大量z i g b e e 终端设备，对公共交通情况进行跟踪，人们就可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。1 3 论文主要工作及结构安捧本课题来源于国家发改委项目“i p v 6 无线传感器网络节点”【l “。作者的工作围绕i e e e8 0 2 1 5 4m a c 协议的研究而展开，主要包括：1 、深入研究i e e e8 0 2 1 5 4m a c 协议，理解萁基本原理，例如节点分类、网络拓扑结构、数据传输模式及信道接入机制等，并对协议中各项关键技术进行分析与总结。在n s 2仿真平台中，分别针对星型、点对点及树型网络拓扑结构，对该协议性能进行仿真实验分析与总结。2 、根据课题需求，在d z l 6 1 l d z l 6 1 2 实验板上完成t i n y o s 系统下的i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议主要功能实现。在完成该部分任务的过程中，分析并研究c c 2 4 2 0 芯片的功能及其特点，熟悉n n y o s 嵌入式操作系统，并掌握了其模块化编程方法；完成了d z l 6 1 1 d z l 6 1 2实验板上的无线收发功r 2 模块的编写与调试；在t i n y o s 系统中，添加i e e e 8 0 2 1 5 4m a c协议功能模块，并在原有模块中加入8 0 2 。1 5 4c s m a c a 信道接入机制；编写应用测试模第6 页信息工程大学硕士学位论文块，对m a c 协议实现部分进行相应的功能测试。3 、根据树型网业务量分布特性及多跳带来的传输时延问题，提出一种自适应调整超帧激活期长度的8 0 2 1 5 4m a c 协议改进方案。运用n s 2 仿真软件，将改进后的m a c 协议同原有m a c 协议进行性能分析与比较，验证了该方案的有效性。本文的结构安排如下：第一章介绍无线传感器网络的发展概况、体系结构等基础知识。针对本论文的研究重点，对i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，以及随后出台的z i g b e e 规范作了概括性描述。第二章深入研究i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议，运用n s 2 仿真软件对其性能进行分析总结。第三章介绍在d z l 6 1 l d z l 6 1 2 实验板上i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议的实现与功能测试。第四章针对树型网络结构，提出一种i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议改进方案，并对其性能进行仿真分析。结论部分对论文的工作进行总结并指出了后续的研究工作。第7 页信息r ：程大学硕十学位论文第二章i e e e8 0 2 。15 4m a c 协议分析i e e e8 0 2 1 5 4m a c 协议由i e e e8 0 2 1 5 4 小组负责制定，主要完成设备间无线链路的建立与维护、确认帧的发送与接收、信道接入控制、帧校验等功能，并为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。其所提供的关联( a s s o c i a t i o n ) 和解除关联( d i s 瑟s o c i a t i o n )及孤立通告( o r p h a l l n o t i f i c a t i o n ) 机制，有效解决了节点入网与离开网络的问题，提高了网络的自组织与自愈能力。本章对i e e e8 0 2 1 5 4m a c 协议进行了细致深入的分析，清晰详尽的论述了该协议的主要原理和关键技术，并通过n s 2 仿真平台对其性能进行分析与总结。2 1 网络配置与类型2 1 1 网络配置i e e es 0 2 1 5 4 标准将网络中所有无线设备分为两大类，全功能设备( f f d ) 和精简功能设备( r f d ) ，前者能够完成该协议的所有功能，而后者只能完成部分简单功能。r f d 传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，其实现成本相对较低。此外，这些设备从功能上可划分成三类节点，即网络协调点( p ：a nc o o r d i n a t o r ) 、协调点( c o o r d i n a t o r ) 和普通节点( d e v i c e ) ，其中网络协调点为整个网络的主控节点，并且每个i e e e8 0 2 1 5 4 网络只能有一个网络协调点；协调点通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能；普通节点只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。f f d 可以充当网络协调点、协调点或普通节点，然而r f d 只能充当普通节点。网络协调点：网络协调点除了直接参与应用以外，还需要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。该节点在传感器网络中可以作为汇聚节点，网络形成后可执行路由器的功能。网络协调点通常情况下由交流电源持续供电。协调点：协调点也必须是f f d 。该类节点可以充当z i g b e e 网络中的z i g b e e 路由节点，可以参与路由发现、消息转发、通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等【l _ 7 1 。协调点受网络协调点的控制，同时能够实现与相邻节点的同步通信。普通节点；普通节点可以是f f d ，也可以是r f d ，也称之为终端节点。该类节点不再允许其它任何节点通过它加入网络，能够以较低的功率运行。2 1 2 网络类型2 1 2 1 两络拓扑结构i e e e8 0 2 1 5 4 标准支持星型( s t a r ) 和对等( p e e r t o - p e e r ) 两种基本的网络拓扑结构，并给出了一种对等网中的特例即树型( c l u s t e r - t r e e ) 网络。对等网中还有一种较为典型的网络拓扑结构为点对点( p o i n t - t o - p o j n t ) 结构，有时也称其为网状( m e s h ) 结构。对等网络拓扑结构中的节点并不一定都是对等的( 均为f f d ) ，如图5 所示。第8 页信息t 程人学硕士学位论文协( i ) 点对点结构( a ) 星型结构网络协调点( b ) 对等结构图5 网络拓扑结构l 、星型结构星型网由一个网络协调点和多个普通节点组成。网络协调点必须是f f d ，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点( 终端节点) 一般为r f d ，也可以为f f d ，它们分布在网络协调点的覆盖范围内，直接与网络协调点进行通信。星型网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合，主要适用于家庭自动化、p c 外围设备及个人健康状况检查等应用领域。2 、对等结构点对点结构点对点网络一般是由若干个f f d 连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，其中一个f f d 充当网络协调点。骨干网中的节点还可以连接f f d 或r f d 组成以它为协调点的子网。由于该类型网络具有“自恢复”能力强、可靠性高等特点，因而适用于工业监测、无线传感器网、农业智能化等应用领域。树型结构i e e e 8 0 2 1 5 4 树型网络结构通常由多个簇组成，又称簇树网络结构。其中的每一个簇都是由根节点发起形成的。此类网络结构中，大多数节点都是f f d 。并规定r f d 每次只能与一个f f d 关联，因此r f d 只能作为树型网络的叶子节点。任何一个f f d 都可以成为一个协调点，为其它节点或其他协调点提供同步服务。基于树型结构组建的网络，协调点通过发送信标帧，相邻节点可以与之进行同步通信。此时采用该标准中定义的超帧结构。节点通过低占空比降低能量损耗，从而延长网络寿命。因此对于电源不方便布设、节点覆盖范围较大的场合，该种网络拓扑结构将不失为一种很好的选择。2 。1 2 2 信标网和无信标网无论采用哪类网络拓扑结构，网络中的节点均可以采用信标使能模式或无信标使能模第9 页信息丁程大学硕七学位论文式。f f d 周期性发送信标，称其采用的是信标使能模式，否则为无信标使能模式。如果网络当中存在周期性发送信标的节点，则称该网络为信标使能网络，简称信标网，否则称其为无信标网。虽然无信标网没有周期性发送信标的节点，但是节点仍可向其协调点发出信标请求命令，此时协调点将以单播的形式向该节点发送信标。2 2 超帧结构abc+二h一oig t s6 t s蝴搠i图6 超帧结构在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中，可以选用以超帧为周期组织l r - w p a n 网络内设备间的通信。每个超帧都以协调点发送信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。超帧结构通常由激活期和非激活期两部分构成。节点在激活期进行业务的交互，在非激活期转为低功耗模式。激活期通常分为1 6 个等长的时隙信标必须在超帧第一个时隙( 0 时隙) 的起始时刻发送，每个超帧时隙又进一步被划成更小的时间段，即退避时隙。超帧的竞争期( c a p ) 紧接信标帧，并可延续到整个激活期结束。如果节点有对实时业务的需求，可向网络协调点申请预留时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ，g t s ) ，每个预留时隙可以占据若干个超帧时隙，多个预留时隙形成超帧的无竞争期( c f p ) ，无竞争期将紧接竞争期，并且一直延续到激活期结束。网络协调点最多可以分配7 个预留时隙。节点在竞争期中的通信采用时隙c s m a c a 的机制接入信道，而在无竞争期中直接进行通信。图中，b d ( b 口d ，2 0 胁r ) 称信标级数，它决定着信标的发送周期所( 胁卯口胛向即r m ，) ，二者满足如下关系，即肼= 口肋s 8 跏g 咖，1 8 d “r d f f o ”2 脚。s d ( s 印叼伊口埘pd 胁，) 称超帧级数，它决定着超帧激活部分长度。即超帧持续时间s d ( 跏p 咖聊口d w 口，j d n ) ，它们之间满足的关系为舳l = 棚甜e s 材胛，斥m e d “r 口f f d ”2 ”。日曰娜舔印e 咖脚p d “m “d h 为m a c 协议信息数据库中的一个常量值，它是当超帧级数为o 时形成一个超帧所占的符号数，其值为9 6 0 ( 1 5 3 6 m s ) 。第1 0 页信息_ = 程大学硕士学位论文2 3m a c 层帧结构m a c 层帧结构【i 2 | 的设计目标是用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个m a c 帧都由帧头( m a ch e a d e r m h r ) 、负载和帧尾( m a cf o o t e r m f r ) 三部分组成。其中的帧控制字段( f 舢ec o m r 0 1 ) 指出帧的类型、地址模式及其它控制标志信息；序歹 j 号字段( s e q u e n c en u m b e r