IEEE 802.15.4区分服务机制研究

【摘要】低速率无线个域网（LR-WPAN）是一种新的短距离无线通信技术，能提供低速率、低成本、低复杂度和低功耗的无线数据传输服务，在包括家居自动化、医疗监测和军事应用等领域得到了广泛应用。而为了满足工程应用的需要及保持不同设备间的兼容性，IEEE标准委员会成立了TG4工作组针对LR-WPAN网络制定了IEEE802.15.4标准，该标准制定了相应的物理层（PHY）和媒体介质访问层（MAC）标准，该标准以其物理层的低功耗及MAC层的稳定性受到了广泛关注和应用，是ZigBee、WirelessHART和6Lowpan的默认底层标准。但在许多应用中，根据数据包内容不同，不同的信息所承载的重要性是不同的。在IEEE802.15.4的协议中，虽然其为实时数据传输提供GTS机制，但采用GTS机制必须发送相应的GTS请求，且GTS的数量最多为7个，对于节点数目较多的场合该机制存在相应的缺陷，同时，GTS机制对于多业务（>2）场合进行业务区分并不适用，因此，为了更好适用应用需求，必须为IEEE802.15.4网络提供更加完善的区分服务支持。为了给IEEE802.15.4提供更好的区分服务支持，目前主要有两种研究思路：首先从改进GTS分配机制出发，提高GTS的利用率，但这些算法一般实现起来非常复杂；其次从CSMA/CA信道接入算法出发，为了区分不同业务，根据优先级的大小赋予了不同的CSMA/CA算法执行参数（如CW，BE等），从而能够使具有较高优先级的设备有更高的概率取得信道的使用权优先传输，这些算法虽然实现简单，但均只从终端设备出发，未考虑协调器端占空比的影响。本论文在基于优先级区分策略的基础上分别从终端设备和协调器出发提出了一种新的区分服务机制策略，不仅能更好的为高优先级业务提供业务支持，同时能根据不同的应用需求调节占空比，最大程度节省网络能量。从终端设备设备出发，本论文首先深入研究了基于CSMA/CA算法特性及不同参数对节点接入信道的影响，并在基于优先级区分服务策略的基础上增加了BCS（BackoffCounterScheme）退避策略，去解决网络内流量较大的场合下的业务区分问题。同时，为了满足不同应用下高优先级业务的指标要求，并最大程度的节省网络能量，针对协调器设备，本文首先仿真分析了不同占空比对于网络内节点延时、分组投递率及网络剩余能量的影响，并基于此分析结果提出了一种基于强化学习的占空比调整策略，该策略能根据不同应用环境下高优先级业务的性能需求进行“自学习”得到一个较优的占空比，并能实时跟踪环境变化对占空比进行调整。为了验证提出算法的好坏，本论文在NS2中对算法进行了仿真实现。针对BCS策略，主要仿真了两种不同优先级业务在不同流量情况下的端到端延时及分组投递率情况，仿真结果表明，在流量较大的场合，基于BCS策略的区分服务机制实现在性能上表现较优；而针对强化学习，本文主要仿真了三种不同应用需求下强化学习算法的学习效果，同时也对网络内流量动态变化的场合进行了仿真，以验证提出的强化学习算法针对动态环境的适应性，仿真结果表明，提出的算法不仅能针对不同环境满足高优先级业务的性能需求，也能根据网络内流量的变化情况进行实时调整占空比，具有很强的环境适应性。
【作者】李天平；
【导师】钱志鸿；
【作者基本信息】吉林大学，通信与信息系统，2014，硕士
【关键词】IEEE802.15.4/LR-WPAN；区分服务；强化学习；NS2；

【参考文献】
[1]官书云.论单位犯罪的本质[D].华中科技大学,经济法学,2013,硕士.
[2]王雪梅.数字下变频的设计及其在FPGA中的实现[D].西安电子科技大学,测试计量技术及仪器,2012,硕士.
[3]荣志红.数字校园到离校系统的设计和实现[D].内蒙古大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[4]韩敏,李德才.基于替代函数及贝叶斯框架的1范数ELM算法[J].自动化学报,2011,11:1344-1350.
[5]金哲.R公司的供应商评价管理体系研究[D].华南理工大学,工业工程,2012,硕士.
[6]陈奕冰.葛花多糖对辐射损伤小鼠保护作用的研究[D].吉林大学,劳动卫生与环境卫生学,2013,硕士.
[7]黎新章.几种玻璃眼镜片的特性——兼复顾东林先生来信[J].中国眼镜科技杂志.1993(04)
[8]张瑶瑶.从马克思哲学的视野看波普的世界1，2，3理论[D].江南大学,马克思主义基本原理,2012,硕士.
[9]钱玉杰.我国水电的地理分布及开发利用研究[D].兰州大学,人文地理学,2013,硕士.
[10]郭模灿,陈斌华.PID自动舵组件自动测试系统研究[J].船舶工程.2004(02)
[11]蔺鹏.动漫音乐在中学音乐教学中的应用研究[D].贵州师范大学,声乐（专业学位）,2014,硕士.
[12]张书田.交替传译中的精力分配问题[D].上海外国语大学,英语口译,2012,硕士.
[13]马跃.陕西省农村公共服务农民满意度实证分析[D].西北大学,行政管理,2014,硕士.
[14]方志强.叶尖定时传感器及叶片振动信号处理技术的研究[D].天津大学,测试计量技术及仪器,2004,硕士.
[15]吴婧.阿司匹林诱生型脂氧素诱导小胶质细胞表达血红素加氧酶-1[D].华中科技大学,麻醉学,2013,硕士.
[16]赵影.聚硫堇/氧化石墨烯光电极的制备及其在分析化学中的应用研究[D].青岛科技大学,2014.
[17]李行.埃及高等教育质量保障与认证计划（QAAP）研究[D].西南大学,比较教育学,2013,硕士.
[18]潘澍原.《圜容较义》研究[D].上海交通大学,科学技术史,2012,硕士.
[19]要文堂.斜拉桥施工控制与分析[D].天津大学,结构工程,2004,硕士.
[20]刘文国.基于Windows CE的大功率微波控制系统的研究与应用[D].湖南大学,计算机应用技术,2011,硕士.
[21]黄新.道路货运企业节能减排评价指标体系研究[D].长安大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[22]张伟东.库尔勒市国税局业务流程管理系统设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[23]黄睿.我国上市煤炭企业社会责任评价研究[D].上海社会科学院,产业经济学,2012,硕士.
[24]朱文娟.含噻吩并[3,2-c]吡啶环的α-氨基膦酸酯类衍生物的合成及抗癌活性研究[D].郑州大学,有机化学,2013,硕士.
[25]王剑.基于GNSS的列车定位方法研究[D].北京交通大学,2007.
[26]李苗.人参含药血清对ER阳性人乳腺癌MCF-7细胞凋亡影响的研究[D].浙江中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2014,硕士.
[27]卢苗苗.基于CT图像的左心室建模及参数统计分析[D].浙江工业大学,模式识别与智能系统,2012,硕士.
[28]赵永霞.若干风险模型中期望折现罚金函数和最优分红的研究[D].华东师范大学,概率论与数理统计,2014,博士.
[29]徐金镇.青少年社会工作问题研究[D].华侨大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[30]王越.银行业市场结构对商业银行风险的影响研究[D].浙江工商大学,金融（专业学位）,2014,硕士.
[31]吴杨.企业人性化管理问题研究[D].华中师范大学,工商管理,2014,硕士.
[32]郭白言.基于风险调整的我国财产保险成本效率研究[D].南京财经大学,金融学,2012,硕士.
[33]王光耀.基于MOST50音频源节点的设计与实现[D].吉林大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[34]胡冬缘.2002-2012年第三部门在中国主流媒体报道中的媒介形象变迁研究[D].上海外国语大学,新闻学,2013,硕士.
[35]郭明臣.插电混合动力汽车永磁同步电机控制算法开发[D].吉林大学,车辆工程,2014,硕士.
[36]梁瑞英.论改革和完善党的执政方式[D].福建师范大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[37]诸颖,冉铁成,李晴暖,徐晶莹,李文新.放射性核素示踪技术在碳纳米颗粒生物效应研究中的应用[J].核化学与放射化学,2010,01:1-7.
[38]马晓雁,倪梦婷,李军,陈晨.UV-C辐照降解水中藻源性污染物β-环柠檬醛[J].华中科技大学学报(自然科学版),2013,11:26-31.
[39]刘洋.岩质边坡开挖卸荷力学特性及其在水利工程中应用研究[D].重庆大学,土木工程,2014,硕士.
[40]李瞳.中国西部资源富集地区资源型产业转型路径研究[D].内蒙古大学,政治经济学,2014,硕士.
[41]李娟.GABA_BR在细胞膜上的运动机制研究[D].华中科技大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[42]李冬扬.顺铂、环丙沙星及二者联合对人肝癌BEL-7402细胞抑制作用体外实验研究[D].新乡医学院,外科学,2012,硕士.
[43]张然.新能源风电企业价值评估收益法应用研究[D].首都经济贸易大学,资产评估（专业学位）,2014,硕士.
[44]胡生荣,高永,武飞,米志英,张雨.盐胁迫对两种无芒雀麦种子萌发的影响[J].植物生态学报,2007,03:513-520.
[45]刘蕾.高震区波形钢腹板PC连续刚构桥地震响应分析[D].西南交通大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[46]邵曼琳.农业综合开发土地治理项目评估研究[D].扬州大学,农村与区域发展,2011,硕士.
[47]吴红兵.用于高速流水线ADC的高性能采样保持电路研究[D].西安电子科技大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[48]曾素真.台湾張步桃治疗不孕症临床经验与学术思路探讨[D].广州中医药大学,中医临床基础,2013,硕士.
[49]汪诊.国际合作项目的跨文化风险管理[D].昆明理工大学,2002.
[50]刘兵,李嫄,许刚.开发区人才聚集与区域经济发展协同机制研究[J].中国软科学,2010,12:89-96.