面向信息物理系统的IEEE802.15.4MAC协议分析及优化

【摘要】：继计算机和互联网之后,信息物理系统是集成计算、通信和控制于一体的下一代信息技术核心,该系统由于其巨大的应用前景而日益受到业内的关注。本文针对信息物理系统应用需求以区分服务保障QoS,提高网络自适应性,优化网络性能为目的对无线传感器网络的常用底层通信协议IEEE 802.15.4协议MAC层进行研究。 IEEE 802.15.4是无线传感器网络常用的工业界标准,选其作为信息物理系统无线传感器/执行器网络的无线协议,能够更好地提供符合标准规范、低复杂度、低开销的解决方案,最大化相关成果的实用价值。本文首先对IEEE 802.15.4协议进行了深入分析探讨,在深入理解该协议的基础之上,使用OMNeT++仿真软件,对IEEE 802.15.4CSMA/CA机制进行了全面的仿真,研究其中重要的参数对网络QoS的影响,为进行网络参数配置和优化提供了有效参考。在此基础之上,针对信息物理系统的应用需求,基于时隙CSMA/CA算法提出了一种优化算法：SDA-CSMA/CA (Service Differentiation and Adaptive CSMA/CA)算法,该算法针对信息物理系统中不同应用数据流的需求,引入优先级机制,对不同的应用数据流进行区分服务；传输过程中,针对退避指数BE不能很好地适应当前网络状况的问题,提出了BE自适应策略,根据当前网络状况动态初始化BE。最后,在OMNeT++仿真模型中实现了SDA-CSMA/CA算法并仿真,通过仿真结果验证了SDA-CSMA/CA算法能够更好地满足不同数据流的QoS需求,并能够更好地提高网络实时可靠性,最大化网络资源的利用率,对信息物理系统中无线传感器网络的MAC协议设计具有重要的价值。