基于IEEE802.15.4a信道的高性能脉冲超宽带系统

随着通信技术的不断进步,超宽带技术作为一种新型无线通信方式,较传统无线通信方式具备许多技术上的优势,在许多应用领域如航空、医疗、军事以及消费类电子产品中都有着广阔的应用前景和特有的应用价值。文中在对脉冲超宽带系统的信源、信道、接收机进行理论分析的基础上,研究了一种具有高性能的脉冲超宽带系统并对该系统进行了建模和仿真。根据仿真实验结果分析得出该系统的各项性能要远远优于其他脉冲超宽带系统。

IEEE802.15.4a信道对UWB功率谱影响分析

研究超宽带功率谱密度,从路径损耗模型、多路径模型和小尺度衰落模型方面分析IEEE802.15.4a工作组信道模型.采用直接序列脉冲(direct-sequence pulse-amplitude modulation,DSP-PAM)超宽带(ultra-wideband,UWB)系统的信道响应,仿真分析了8种信道对2～10 GHz超宽带系统功率谱分布情况.仿真结果表明,多路径信道对UWB功率谱影响不大,脉冲UWB具有抗多路径干扰能力强的特点.

IEEE 802.15.4非信标使能模式在车联网中的性能评估

车联网是车与车之间广泛使用的网络技术,是车与车之间经济、高效的通讯渠道。IEEE 802.15.4由一层简单物理层和一层节能型介质访问控制层所组成,是当前所有通讯标准中车联网网络的最佳选择。基于此,这里选择适合车联网的IEEE 802.15.4非信标使能模式作为分析模型,将其应用于车联网中,具体包含非饱和通讯量模式和大型网络,并分别研究了IEEE 802.15.4适合车联网的非信标使能模式的性能,这对车辆积极调整广播速度,在车与车之间联网通讯中取得更高的成功具有一定的参考价值。

基于IEEE 802.15.3a的超宽带信道模型仿真

对于超宽带(UWB)无线通信技术来说,无线信道的特征直接决定了能否实现高速数据传输、低功耗、低复杂度的无线通信系统。基于多径传播、路径损耗、信道响应等参数,对IEEE 802.15.3a UWB技术的信道模型进行建模,并将RS编码和BPSK调制技术与UWB无线信道模型相结合,对4种环境下的传播情况进行仿真研究。结果表明,信道仿真的结论与实测数据结论一致性较好,所建模型能够准确反映和评估UWB无线通信的信道特征。

基于IEEE 802.15.4a信道的超宽带脉冲信号仿真研究

针对超宽带通信技术在远距离、低速率、精确定位方面的应用,对超宽带脉冲信号波形设计和特性进行了研究。采用了优化组合的方法进行了超宽带脉冲信号设计并对其性能进行了研究。通过仿真计算,分析了超宽带脉冲信号在IEEE 802.15.4a信道中的传播特性,得出了信道对脉冲信号影响的相关结论。结果表明,采用优化组合方法设计的超宽带脉冲信号能满足FCC辐射掩蔽标准要求,IEEE802.15.4a信道模型能较好的反映信号传播的基本规律,多路径信道对超宽带信号功率谱影响不大,超宽脉冲带信号具有抗多径干扰能力强的特点,适合低速率无线个域网、精确定位等领域的应用。

基于马尔可夫链的IEEE 802.15.4网络防丢包信道访问机制研究

为了降低IEEE 802. 15. 4MAC层数据帧丢包率,在分析丢包率的原因基础上,提出了一种基于Markov链的信道竞争机制模型。通过对网络发送、退避和信道检测状态的稳态概率进行数学推导,研究了信道碰撞和数据帧的丢包率分析式,研究了参数数据包到达速率、节点数量、误码率、后退指数、后退等待次数对碰撞概率和丢包率的影响。实验结果表明,与节点无休眠态的IEEE 802. 15. 4网络相比,节点丢包率平均降低了23. 7%,模型较好地描述了提出的MAC层信道访问机制,合理的网络参数设置能够优化数据帧丢包率,研究结果对无线传感网的应用提供了可靠传输优化参考。

面向IEEE802.15.4协议的跳频信道接入方法

IEEE802.15.4协议中2.4 GHz频段的信道极易受Wi-Fi等信号干扰,且其规定节点丢失信标帧数量超过a Max LostBeacons就判定为孤立节点,需要重新扫描信道进行重新同步,这必将导致较大吞吐量降低和时间消耗。本文分析IEEE802.15.4和IEEE802.11在2.4 GHz频段中信道重叠规律,提出一种利用信标帧的周期性作为跳频函数输入变量生成的跳频序列,以此快速选择未受干扰的信道,该方法不需增加信标帧负荷和开销,且简单易实现。Wi-Fi干扰源测试结果表明,平均吞吐量最低能提高约16%,平均传输延迟由25.86 ms降低到9.07 ms。

IEEE 802.15.4中信道利用率的分析与改进

在分析IEEE 802.15.4网络中为时延敏感应用提供的保护时隙(GTS)分配策略后,指出GTS分配中信道利用率低等不足。为此,对IEEE 802.15.4中的GTS进行改进。将GTS时隙再次划分为微时隙,与标准GTS申请命令不同,节点无须指定所需的GTS长度,而是提供需要发送的数据数量和数据长度,通过协调节点来决定所分配的GTS长度。仿真实验结果表明,改进后协议能提高信道利用率和网络吞吐量。

S-MAC与IEEE802.15.4的MAC层信道利用效率研究

提出一种计算MAC层信道利用效率的方法,从成帧效率、信道共享效率和冲突避免三个方面建立模型,对无线传感网络MAC层应用协议S-MAC和IEEE802.15.4进行计算分析,并将此两种协议的信道利用效率与IEEE802.11的信道利用效率进行对比,结合软件仿真说明S-MAC与IEEE802.15.4两种协议的适用范围.

基于信道评估的IEEE 802.15.4e TSCH快速接入方案

时隙信道跳频(TimeSlotted Channel Hopping,TSCH)是IEEE 802.15.4e标准中定义的接入行为技术之一。在TSCH模式下,想要加入网络的新节点需要侦听到包含网络信息的EBs,但是IEEE 802.15.4e标准没有给出与EBs相关的广播策略,而EBs的广播策略是新节点快速加入网络的关键性技术之一,目前学术界虽然提出了许多解决方案,但却十分依赖于网络密度,且没有考虑实际中的干扰。为此,文中主要研究了TSCH在存在严重干扰的环境下的网络的形成过程,提出了基于信道评估(HSJCE)的快速接入方案,通过设计一个新的时隙帧结构对信道质量进行评估排序,同时采用新的加入节点和同步器机制增加发送的EBs数量和选择质量最优的信道来发送和侦听EBs。实验数据及其分析充分表明,新的加入和同步机制大大增加了加入节点成功侦听到EBs的概率且不依赖网络密度,即使在严重拥堵的情况下,HSJCE也能提供较短的加入时间。

基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络

设计实现了一种基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络,传感器对周围的环境进行监测,内嵌的单片机对数据进行处理,通过基于IEEE802.15.4标准的无线模块进行无线传输,构成一个无线传感器网络。对无线传感器的结构设计和无线传输网络的具体实现过程进行了阐述,最后,给出了实验数据,并进行了分析。

基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络性能分析

通过将IEEE 802.15.4标准中的超帧与无线传感器网络的LEACH协议结合,在星型网络拓扑下,网络节点通过申请超帧中的GTS来进行无冲突的数据通信,对使用GTS传输数据的这一过程进行了研究,从理论上分析了无线传感器网络的网络性能。仿真结果说明了网络控制参数对网络性能的影响,为今后无线传感器网络应用中的参数配置提供了一定的理论基础。

基于优先级的IEEE802.15.4 CSMA/CA建模与分析

针对基于IEEE 802.15.4协议CSMA/CA机制的实时监测系统,为了分析CSMA/CA参数设置对网络性能的影响,建立了一个引入优先级信号处理的马尔可夫链数学模型,分析和比较了分别设置优先级信号和普通信号的协议参数,对优先级信号实时性和整体网络性能的影响。结果表明,综合考虑网络规模和网络中信号产生情况,合理地分别设置两种信号的CSMA/CA协议参数,可以提高优先级信号的实时性,而对普通信号的影响较小。

基于IEEE802.15.4e标准的工业物联网安全时间同步策略

IEEE802.15.4e是一个面向工业物联网应用的MAC层标准,其采用时间同步关键技术实现高可靠、低功耗的工业无线网络.网络空间中存在各式各样攻击,由于时间同步机制是工业无线网络中的核心支撑技术,其可能成为首选的攻击目标.假如攻击者对时间同步协议发起攻击,破坏节点之间的同步,将导致网络通信、节点定位以及数据融合等方面应用不能正常工作.针对基于IEEE802.15.4e标准的工业物联网中时间同步协议安全性不足问题,提出了一个安全时间同步策略.首先,提出了Sec_ASN算法保护单跳的ASN时间同步和TOF算法保护单跳的Device-to-Device时间同步;其次,提出了Rank-based入侵检测算法保护多跳时间同步;最后通过理论分析和实验测试证明,该安全时间同步策略具有时间同步精度高和开销低特点,并且能有效防御外部攻击和内部攻击.

移动Sink传感网中基于IEEE 802.15.4的拓扑控制与路由

针对查询驱动的移动Sink无线传感器网络,基于IEEE 802.15.4标准,提出了一个联合簇树组网和移动路由的跨层协议设计方案。以能耗、网络连通度、负载均衡和子树深度等指标为评价因子,在多目标优化模型下定义了一个拓扑综合评价函数,构建稳定的最优簇树网络结构;改进了IEEE 802.15.4 MAC中基于信标帧调度的分布式睡眠同步算法,维护较低占空比下的网络同步与拓扑修正;利用拓扑形成过程中依"最早信标帧"、"最好链路"、"最小层次"3种准则确立的父子关系,建立移动Sink与N-Hop范围内节点的双向路由路径。最终将上述MAC层的拓扑控制方案与网络层的查询路由方法完整实现于TinyOS协议栈中。实验结果表明,评价函数能够有效地反映组网质量,N-Hop后验式路由结合睡眠同步机制,在"最好链路"拓扑下表现出较高的能量效率。

双射频多信道802.15.4传感器网络节点性能研究

随着传感器网络中节点密度的增大和跳数的增加,单信道802.15.4网络容量急剧下降,一种有效的解决方法是为网络中每个节点装配多个射频。介绍了双射频多信道802.15.4传感器网络节点的设计,详细分析了链式拓扑中单跳和多跳802.15.4网络吞吐量的理论上限,最后对单跳和多跳802.15.4网络吞吐量和时延进行了实际测量。结果表明,使用多射频多信道方案能够显著提高网络性能。

工业环境IEEE802.15.4链路的多频道可靠性分析与建模

无线传感器网络协议设计依赖于网络环境中的链路特征.在实际环境中,链路易受外界环境的影响而产生剧烈的变化.但是,目前只有少量的链路模型涉及多频道传输可靠性及其时间变化特征.以丢包率描述链路的可靠性,针对链路可靠性在频道和时间上的变化特征,提出了统计建模的方法,引入丢包率(PDR)和丢包序列(PDS)定量刻画出了链路可靠性与频道、时间的关系.通过在钢铁厂车间、学校实验工厂对2.4GHz的IEEE802.15.4模块进行测试及统计分析,发现数据丢包率服从logistic或log-logistic分布;在一个确定丢包率下,两次数据丢包之间的间隔服从lognormal分布.在此基础上,通过分析干扰链路可靠性的原因,提出了一种工业无线传感器网络链路可靠性模型,并基于此模型对IEEE802.15.4e的两种提案进行了评估和分析.

差错信道下IEEE802.11DCF最优帧长分析及信道自适应策略

分析了差错信道下IEEE 802.11 DCF在饱和状态下的吞吐量以及帧长度对吞吐量的影响。研究表明在一定的误码率(BER)下存在最优的帧长使得系统吞吐量最大,并且该最优值与发送节点的数目无关。在此基础上,提出了一种简单的基于BER区间划分的帧长控制的信道自适应发送策略。仿真表明,与固定帧长的发送策略相比较,使用该策略在差错信道下可以有效地提高吞吐量。

改进的IEEE 802.15.4组网协议算法

分析了IEEE 802.15.4网络初始化的流程,并提出了一种改进的协议算法.通过设置协调器进行处理,有效地减少协议的冗余信令,避免了不必要的冲突,减少了节点加入网络的延迟.最后通过仿真对原协议和改进算法进行比较,得出节点加入过程的原语数减少了31%,加入时间减少了84%.当多个节点在较短时间内都进行加入操作时,改进算法的优势更加显著.这种改进算法能在家庭网络中得到很好的应用.

IEEE802.15.4e标准的安全多跳时间同步协议设计

IEEE802.15.4e是工业物联网中最新的MAC层标准,其采用时间同步技术实现高可靠、低功耗的无线网络。由于时间同步机制是工业无线网络中的核心支撑技术,因此其往往成为攻击者的首选攻击目标。针对IEEE802.15.4e标准的多跳时间同步协议存在安全性不足的问题,提出了一个多跳时间同步安全策略SMTSF。SMTSF安全策略主要采用基于异常的入侵检测算法、基于信任模型的多路径时间同步方法和加密与认证等关键技术,有效保障了节点之间安全地进行多跳时间同步。在基于入侵检测的算法中,边界路由器对节点的Rank值进行规则验证,可以有效检测出时间同步树攻击;同时设计了轻量级防火墙来抵御来自互联网的恶意主机攻击。在基于信任模型的多路径时间同步方法中,通过建立节点之间的信任模型来保障网络中节点可以找到一条安全多跳同步路径。仿真结果表明,SMTSF能有效检测时间同步树攻击并抵御捕获攻击。