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基于能量采集的IEEE 802.15.6协议性能分析与协议设计

云凡  
【摘要】:无线体域网是以人体为中心,由若干低功耗、微型、智能的节点和一个协调器组成的人体范围内的无线通信系统,它在多个领域都有重要应用,比如,医疗监控、运动检测等。无线体域网中的节点电池容量小且部分电池难以充电,于是能量采集技术应运而生。能量采集技术通过从周围环境采集能量,使得无线体域网中的节点可以拥有更长的生存周期。然而,由于能量采集过程的随机性以及无线体域网中的信道遮蔽效应的影响,在无线体域网中考虑能量采集技术并保证数据的有效传输和不同节点差异化的服务质量需求仍然是一个严峻的问题。为了在无线体域网中考虑能量采集技术的影响并且提升在基于能量采集技术的无线体域网的性能,本文着眼于无线体域网中的MAC(Media Access Control)协议,考虑能量采集和无线体域网的特点对MAC协议进行分析和设计:(1)本文建立相关的系统模型,包括能量到达模型、节点模型,在此系统模型的基础上,考虑在有能量采集的条件下的MAC协议分析。本文着重考虑的是进行基于能量采集技术的 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的协议分析,根据能量到达的过程和MAC协议过程建立相应的马尔科夫链分析模型,分析系统的稳态概率,计算出相应的系统性能表达公式。实验仿真将分析结果和理论结果对比,验证了模型的准确性。(2)进一步考虑无线体域网和能量采集的特点,我们发现由于无线体域网中特有的动态链路特性和节点异构性,以及能量采集的随机性,使得前面单独的CSMA/CA协议并不能很好的适应于基于能量采集的无线体域网。于是本文在原有的协议中加入了 TDMA(Time Division Multiple Access)协议,设计了一个混合的MAC协议。设计的主要目标是提高基于能量采集的无线体域网的性能,保证不同数据的差异化服务需求。仿真表明,设计后的协议相比于没有设计的协议能够有效提高数据的传输量,同时满足了不同优先级数据的差异化传输需求。


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