面向数能一体化传感器网络的MAC协议研究与设计
发布时间：2021-05-06 10:35
随着无线通信技术的高速发展,人们对无线通信技术提出了越来越高的要求,无论是传统的电池供电,还是插电电源供电等方式,都不足以支持人们对无线通信的灵活性和可持续性的要求,于是无线数能同传技术应运而生。本文着重关注在传统的无线传感器网络的基础上引入无线数能同传技术构成数能一体化的无线传感器网络,通过对该数能一体化网络的MAC层协议进行优化,延长整体网络寿命,降低无效能量消耗,提高能源利用率。本文主要研究内容分为以下三部分。首先,设计了基于ZigBee协议的数能一体化验证平台的基本架构和四种数能分割方案,依此进行需求分析和设备选型,选择频率分割方案,依托成熟的ZigBee协议和开发板套件进行预实验,根据预实验的数据结果设计数据收发机和能量收发机,由此搭建一个点对点的无线数能同传系统,实现终端节点的无线能量供应,在硬件系统层面上验证了无线数能同传技术可以有效应用于无线传感器网络。然后,针对传统的MAC层协议和无线数能同传技术,提出了一种超帧结构的改进方案,删去传统超帧结构的非活跃阶段,并调整超帧结构的时隙顺序,从而增大下行无线传输的时隙,增大无线充能的能力;同时提出一种GTS时隙分配的判决排序公...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景与意义
1.2 国内外研究历史与现状
1.2.1 数能一体化网络研究
1.2.2 针对低功耗物联网设备的MAC层协议研究
1.2.3 面向数能一体化网络的MAC层协议研究
1.3 本文的主要研究内容
1.4 本论文的主要创新点
1.5 本论文的结构安排
第二章 针对无线数能同传技术的MAC层协议研究
2.1 IEEE802.15.4 协议简介
2.1.1 IEEE802.15.4 网络简介
2.1.2 IEEE802.15.4 协议结构
2.2 IEEE802.15.4 MAC层基本帧结构
2.3 IEEE802.15.4 协议MAC层信道接入机制
2.3.1 超帧周期结构
2.3.2 CAP阶段信道接入机制
2.3.3 CAP阶段的通信吞吐量分析
2.3.4 CAP阶段能量消耗分析
2.3.5 CFP阶段信道接入机制
2.4 IEEE802.15.4 MAC层数据传输机制
2.5 ZigBee协议简介
2.5.1 ZigBee协议基本特征
2.5.2 ZigBee协议体系结构
2.6 本章小结
第三章 基于ZigBee协议的数能一体化传感器网络验证平台研发
3.1 验证平台系统需求分析
3.2 验证平台系统总体方案设计
3.3 验证平台系统设备选型
3.4 频率分割方案系统搭建
3.4.1 数据收发机设计
3.4.2 能量收发机设计
3.5 验证平台系统实验
3.5.1 实验背景描述
3.5.2 系统实验具体过程
3.5.3 系统实验结果
3.6 本章小结
第四章 面向数能一体化传感器网络的MAC层协议超帧设计
4.1 面向无线数能同传技术的方案设计
4.2 无线数能同传的影响
4.3 传统MAC层超帧设计在数能一体化传感器网络中的缺陷
4.4 面向数能一体化传感器网络的MAC层超帧结构设计
4.4.1 传统MAC层超帧结构简介
4.4.2 面向数能一体化传感器网络的MAC层超帧结构设计
4.4.3 DEIN超帧结构的合理性分析
4.4.4 DEIN超帧结构的优势分析
4.5 面向数能一体化传感器网络的GTS时隙分配方案设计
4.5.1 优化GTS时隙申请方式
4.5.2 优化GTS时隙数
4.5.3 面向数能一体化传感器网络的GTS时隙分配方案优化
4.6 仿真实验效果对比
4.6.1 仿真实验物理环境
4.6.2 仿真实验参数设计
4.6.3 仿真实验软件环境
4.6.4 面向数能一体化传感器网络的超帧结构仿真实验
4.6.5 面向数能一体化传感器网络的GTS时隙分配方案仿真实验
4.7 本章小结
第五章 面向数能一体化传感器网络的MAC竞争接入期节能设计
5.1 缓解竞争接入期能耗问题的理论方法设计
5.1.1 能耗问题的成因
5.1.2 能耗问题的缓解方案设计
5.2 基于机器学习的选择性通信算法研究
5.2.1 基于机器学习的选择性竞争上报算法
5.2.2 基于机器学习的选择性GTS时隙申请算法研究
5.3 竞争接入期退避窗口计算公式优化
5.3.1 传统时隙CSMA/CA算法的退避机制
5.3.2 传统退避机制的缺陷
5.3.3 时隙CSMA/CA算法的退避窗口优化
5.4 仿真实验效果对比
5.4.1 选择性竞争上报算法仿真实验
5.4.2 选择性GTS时隙申请算法仿真实验
5.4.3 面向数能一体化传感器网络的退避算法仿真实验
5.5 本章小结
第六章 全文总结与展望
6.1 全文总结
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线数能一体化通信网络及其数能联合接入控制协议设计[J]. 杨鲲,赵毅哲,胡杰. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2019(01)
[2]数能一体化无线通信网络[J]. 杨鲲,于秦,冷甦鹏,张平. 中国科学:信息科学. 2016(05)
[3]基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络性能分析[J]. 向碧群,李艳体,王小平,李云. 计算机应用研究. 2011(12)
[4]析星型拓扑设计组建校园局域网[J]. 田建勇. 安顺学院学报. 2011(01)
[5]星型拓扑结构在大型计算机教室网络布线中的优化与实施[J]. 张西北,古元,甘小勇. 农业网络信息. 2009(09)
硕士论文
[1]基于基站协作的数能一体化网络资源分配研究[D]. 蒋礼锐.电子科技大学 2018
[2]IEEE 802.15.4协议MAC层机制研究[D]. 詹方.西安电子科技大学 2017
[3]蜂窝网中基于数能同传技术的资源分配[D]. 赵毅哲.电子科技大学 2017
[4]IEEE 802.15.4协议CSMA/CA机制研究与实现[D]. 徐德森.西安电子科技大学 2013
[5]基于TinyOS系统的IEEE 802.15.4MAC协议的实现及关键技术研究[D]. 周俊.南京邮电大学 2011
[6]IEEE802.15.4时隙CSMA/CA算法性能研究[D]. 黄颖.西安电子科技大学 2010
本文编号：3171771
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景与意义
1.2 国内外研究历史与现状
1.2.1 数能一体化网络研究
1.2.2 针对低功耗物联网设备的MAC层协议研究
1.2.3 面向数能一体化网络的MAC层协议研究
1.3 本文的主要研究内容
1.4 本论文的主要创新点
1.5 本论文的结构安排
第二章 针对无线数能同传技术的MAC层协议研究
2.1 IEEE802.15.4 协议简介
2.1.1 IEEE802.15.4 网络简介
2.1.2 IEEE802.15.4 协议结构
2.2 IEEE802.15.4 MAC层基本帧结构
2.3 IEEE802.15.4 协议MAC层信道接入机制
2.3.1 超帧周期结构
2.3.2 CAP阶段信道接入机制
2.3.3 CAP阶段的通信吞吐量分析
2.3.4 CAP阶段能量消耗分析
2.3.5 CFP阶段信道接入机制
2.4 IEEE802.15.4 MAC层数据传输机制
2.5 ZigBee协议简介
2.5.1 ZigBee协议基本特征
2.5.2 ZigBee协议体系结构
2.6 本章小结
第三章 基于ZigBee协议的数能一体化传感器网络验证平台研发
3.1 验证平台系统需求分析
3.2 验证平台系统总体方案设计
3.3 验证平台系统设备选型
3.4 频率分割方案系统搭建
3.4.1 数据收发机设计
3.4.2 能量收发机设计
3.5 验证平台系统实验
3.5.1 实验背景描述
3.5.2 系统实验具体过程
3.5.3 系统实验结果
3.6 本章小结
第四章 面向数能一体化传感器网络的MAC层协议超帧设计
4.1 面向无线数能同传技术的方案设计
4.2 无线数能同传的影响
4.3 传统MAC层超帧设计在数能一体化传感器网络中的缺陷
4.4 面向数能一体化传感器网络的MAC层超帧结构设计
4.4.1 传统MAC层超帧结构简介
4.4.2 面向数能一体化传感器网络的MAC层超帧结构设计
4.4.3 DEIN超帧结构的合理性分析
4.4.4 DEIN超帧结构的优势分析
4.5 面向数能一体化传感器网络的GTS时隙分配方案设计
4.5.1 优化GTS时隙申请方式
4.5.2 优化GTS时隙数
4.5.3 面向数能一体化传感器网络的GTS时隙分配方案优化
4.6 仿真实验效果对比
4.6.1 仿真实验物理环境
4.6.2 仿真实验参数设计
4.6.3 仿真实验软件环境
4.6.4 面向数能一体化传感器网络的超帧结构仿真实验
4.6.5 面向数能一体化传感器网络的GTS时隙分配方案仿真实验
4.7 本章小结
第五章 面向数能一体化传感器网络的MAC竞争接入期节能设计
5.1 缓解竞争接入期能耗问题的理论方法设计
5.1.1 能耗问题的成因
5.1.2 能耗问题的缓解方案设计
5.2 基于机器学习的选择性通信算法研究
5.2.1 基于机器学习的选择性竞争上报算法
5.2.2 基于机器学习的选择性GTS时隙申请算法研究
5.3 竞争接入期退避窗口计算公式优化
5.3.1 传统时隙CSMA/CA算法的退避机制
5.3.2 传统退避机制的缺陷
5.3.3 时隙CSMA/CA算法的退避窗口优化
5.4 仿真实验效果对比
5.4.1 选择性竞争上报算法仿真实验
5.4.2 选择性GTS时隙申请算法仿真实验
5.4.3 面向数能一体化传感器网络的退避算法仿真实验
5.5 本章小结
第六章 全文总结与展望
6.1 全文总结
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线数能一体化通信网络及其数能联合接入控制协议设计[J]. 杨鲲,赵毅哲,胡杰. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2019(01)
[2]数能一体化无线通信网络[J]. 杨鲲,于秦,冷甦鹏,张平. 中国科学:信息科学. 2016(05)
[3]基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络性能分析[J]. 向碧群,李艳体,王小平,李云. 计算机应用研究. 2011(12)
[4]析星型拓扑设计组建校园局域网[J]. 田建勇. 安顺学院学报. 2011(01)
[5]星型拓扑结构在大型计算机教室网络布线中的优化与实施[J]. 张西北,古元,甘小勇. 农业网络信息. 2009(09)
硕士论文
[1]基于基站协作的数能一体化网络资源分配研究[D]. 蒋礼锐.电子科技大学 2018
[2]IEEE 802.15.4协议MAC层机制研究[D]. 詹方.西安电子科技大学 2017
[3]蜂窝网中基于数能同传技术的资源分配[D]. 赵毅哲.电子科技大学 2017
[4]IEEE 802.15.4协议CSMA/CA机制研究与实现[D]. 徐德森.西安电子科技大学 2013
[5]基于TinyOS系统的IEEE 802.15.4MAC协议的实现及关键技术研究[D]. 周俊.南京邮电大学 2011
[6]IEEE802.15.4时隙CSMA/CA算法性能研究[D]. 黄颖.西安电子科技大学 2010
本文编号：3171771
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