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无线传感器网络DCF接入机制建模与性能分析

作　者: 高春雪
导　师: 刘洺辛
学　校: 燕山大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: IEEE802.11 DCF BEB算法性能模型饱和状态非饱和状态 OPNET
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 23次
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内容摘要

无线传感器网络作为一种新兴的无线自组织网络，已被广泛应用于军事国防、环境科学、医疗健康等领域。对无线传感器网络性能进行建模并建立性能评价体系，是当前无线网络的研究热点之一。IEEE802.11作为无线网络通信协议的主要标准，其介质访问控制(MAC)层协议的作用是为节点合理地分配有限的无线信道资源，MAC层协议的有效性是影响系统性能的主要因素之一。本文针对IEEE802.11的DCF机制所采用的二进制指数退避(BEB)算法得出了两种基于冲突感知的退避模型。首先，得到了基于冲突感知的网络饱和状态性能分析模型。考虑了退避阶段数和重传次数等因素的影响，基于冲突概率p，利用概率均值的方法获得BEB算法的简化模型，基于该模型得到冲突概率p与系统吞吐量和延时的关系表达式，分析了不同节点数和数据包大小对其的影响，并得出了在不同节点个数下两种访问模式(基本访问模式和RTS/CTS访问模式)的最佳转换门限。其次，得到了基于冲突概率p的网络非饱和状态性能分析模型。全面考虑了节点数量、系统负载以及BEB算法中的退避阶段数和重传次数等因素的影响，利用M/G/1/K队列来体现各个终端发送队列的空闲与否以显示网络的饱和与非饱和状态，并利用第一个模型中所采用的概率均值的方法求得数据包的平均服务时间，接着利用Bianchi模型，并在其基础上增加一个X状态将终端所处的各个状态模型化，得到系统的归一化吞吐量及其延时表达式，分析了不同的节点数和分组到达率对其的影响。最后通过OPNET构建仿真网络，将模型得到的数值结果与仿真结果进行比较分析，验证模型的准确性，为改进协议和优化系统的性能提供理论依据。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 引言  10
  1.2 无线传感器网络研究现状  10-11
  1.3 无线传感器网络性能评价的意义  11-13
  1.4 本文的主要内容  13-15
第2章无线传感器网络及 MAC 协议概述  15-25
  2.1 引言  15
  2.2 无线传感器网络简介  15-16
    2.2.1 无线传感器网络的概念  15
    2.2.2 与现有无线网络的区别  15-16
    2.2.3 无线传感器网络的特点  16
    2.2.4 无线传感器网络的应用  16
  2.3 WSN 体系结构  16-19
    2.3.1 网络拓扑结构  16-17
    2.3.2 无线传感器网络协议栈  17-19
    2.3.3 无线传感器网络的核心技术  19
  2.4 IEEE802.11 MAC 协议  19
  2.5 无线传感器网络 MAC 层协议  19-20
  2.6 分布式协调机制(DCF)  20-21
    2.6.1 CSMA/CA  20-21
    2.6.2 帧间间隔 IFS  21
  2.7 DCF 的两种访问模式  21-24
    2.7.1 基本访问机制  21-22
    2.7.2 RTS/CTS 访问机制  22-24
  2.8 本章小结  24-25
第3章基于冲突感知的 IEEE802.11 DCF 性能分析模型  25-47
  3.1 引言  25
  3.2 性能评价  25-26
    3.2.1 性能评价概述  25
    3.2.2 无线传感器网络的性能评价指标  25-26
  3.3 MAC 协议的性能指标  26-28
    3.3.1 MAC 层协议技术指标  26-27
    3.3.2 MAC 层协议的性能指标  27-28
  3.4 二进制指数退避算法 BEB  28-29
  3.5 构建网络饱和状态模型  29-39
    3.5.1 马尔可夫链  30-31
    3.5.2 Bianchi 模型介绍  31-33
    3.5.3 Markov 求平均竞争窗口  33-34
    3.5.4 基于冲突概率 p 的改进模型  34-39
  3.6 OPNET 简介  39-41
    3.6.1 OPNET 发展简介  39-40
    3.6.2 仿真建模  40-41
  3.7 仿真结果与分析  41-46
    3.7.1 构建仿真网络  41-42
    3.7.2 仿真结果  42-46
  3.8 本章小结  46-47
第4章基于冲突概率 p 的 DCF 非饱和状态性能分析模型  47-60
  4.1 引言  47
  4.2 模型描述  47-52
    4.2.1 马尔可夫链建模  47-49
    4.2.2 基于排队论的建模思想  49-51
    4.2.3 M/G/1/K 排队建模  51-52
  4.3 模型求解  52-54
  4.4 由 p 得到性能指标的关系式  54-55
    4.4.1 吞吐量  54-55
    4.4.2 延时  55
  4.5 仿真结果与分析  55-58
    4.5.1 构建仿真网络  55-56
    4.5.2 仿真结果分析  56-58
  4.6 本章小结  58-60
结论  60-62
参考文献  62-66
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  66-67
致谢  67-68
作者简介  68

无线传感器网络DCF接入机制建模与性能分析

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