IEEE802.15.4无线传感器网络性能分析.docx

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IEEE802.15.4无线传感器网络性能分析

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AbdulaZiz

摘要:近年来,传感器技术和无线通信技术的进步促进了无线传感器网络的出现和发展,无线传感器网络广泛应用于军事、环境监测、农业、工业控制等领域。IEEE802.15.4标准由于其低速、低功耗、短传输距离和简单架构的特点,已成为无线传感器网络的流行媒体访问控制层和物理层标准。该文对使用IEEE802.15.4协议的大规模无线传感器网络的性能进行分析。

关键词:无线传感器网络;lEEE802.15.4;网络性能

:TP393:A

:1009-3044(2019)34-0020-03

随着通信技术,嵌入式计算技术和微传感器加工技术的快速发展,许多具有计算和通信能力的传感器可以通过无线模式相互连接,以完成特定的应用任务。由这些传感器形成的无线传感器网络(WSN)引起了极大的关注。IEEE802.15.4是这种网络的主要协议,通过将两者相结合来执行数据收集,处理和分析任务可以确定是否或何时需要用户操作。

1无线传感器网络

1.1无线传感器网络的结构

在WSN中,监控环境中的传感器节点通过多跳中继将数据传输到汇聚节点。其规模相对较大,由几个集群组成。在群集中选择节点,所有节点构成汇聚节点的骨干网络。集群中的节点将收集的数据发送到集群节点。节点通过骨干网络将数据发送到汇聚节点。最后,整个区域的数据通过互联网或卫星传输到远程监控中心进行集中处理。典型的传感器网络架构包括分布式传感器节点,聚合节点,互联网和用户界面。无线传感器网络中的大多数节点传输范围小,汇聚节点传输能力强,功率大,处理能力强。

1.2无线传感器网络的特性和应用

无线传感器网络很大,是自组织的,动态的和可靠的,它们被部署在人力资源不易访问的地方。无线传感器网络在军事,农业,环境检测,智能家居,医疗等领域具有广阔的应用前景。

1.3IEEE802.15.4标准

长期以来,对无线网络技术的研究主要集中在高速和长距离,缺乏对低速无线网络中的研究和应用。为满足低成本设备(固定,便携或移动设备)之间的低速传输,IEEE标准委员会于2000年12月正式批准并建立了IEEE802.15.4工作组,其使命是开发低速无线通信标准,其具有以下特征:

(1)功耗低,实现简单。这是该标准最重要的特性。该标准引入多种节能机制,最重要的是“超帧模式”,允许设备在没有数据传输的情况下进入休眠状态。

(2)成本低。该标准的设备成本,安装成本和维护成本较低。器件可在标准电池供电条件下工作,无须充电。该标准内部可配置,降低维护费用。

(3)单个网络能容纳节点密度更高。ZigBee通过使用该标准的物理层和媒体访问控制层支持几乎任意数量的设备,这对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。

(4)协议简单而国际化。ZigBee协议栈平均只有蓝牙或其他标准的1/4,这种简化对于低成本,互操作性和可维护性非常重要。

2lEEE802.15.4标准的基本问题

2.1网络组成及其拓扑结构

使用IEEE802.15.4标准的无线个人网络(AN)可分为两种类型。一是简化的功能设备(RFD)。其功能相对简单,只能与相关的Ff进行通信。另一种是具有数据传输,接收,数据采集和外部通信的全功能设备(FFD)。其至少有一个FFD作为PAN协调器。每个PAN都有一个唯一的PAN标识符。

LR.WPAN可以工作在两种拓扑中:星型或点对点网络拓扑,如图1所示。在星型网络中,有一个FFD作为PAN协调器。点对点网络还具有网络协调器。该网络中的所有设备都可以与信号辐射范围内的设备通信.这使得点对点网络拓扑更加复杂。

2.2堆栈的结构

IEEE802.15.4标准定义了物理层和MAC子层,它符合开放系统互连模型(OSI)。物理层包括射频收发器和底层控制模块。MAC子层提供了一个高级访问物理信道的接口。协议结构如图3所示。

2.3协议功能概述

LR-WPAN的功能,主要包括超帧结构,数据传输模型,数据帧结构,可靠的数据传输机制,低功耗和安全问题。

超帧结构是核心部分,实现IEEE802.15.4标准的基础。在该结构中传输MAC层的所有帧。当执行信道竞争访问时,网络中的节点还在该帧中执行竞争访问时段(CAP)。当节点以非竞争方式进入信息传输时,它可以在非竞争访问时段(CFP)中完成它。在這种情况下,需要提前分配和保留GTS。当节点争用该信道时,应用CSMA/CA算法。根据网络是否使用信标,该算法被划分为具有时隙的算法和无时隙算法。

3基于集群的lEEE802.15.4无线传感器网络性能分析

在分析网络性能时,建立了三种模型:竞争模型(CSMA算法的模拟),MAC层模型和节点模型。这三个模型可以组合在一起形成一致的参数。

3.1竞争模

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