基于Contiki_Cooja平台的IEEE802154协议实现与改进

电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目基于Contiki/Cooja平台的IEEE802.15.4协议实现与改进学科专业通信与信息系统学号201121010502作者姓名丘建指导教师马立香副教授分类号密级UDC注1学位论文基于Contiki/Cooja平台的IEEE802.15.4协议实现与改进（题名和副题名）丘建（作者姓名）指导教师马立香副教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业通信与信息系统提交论文日期2014.04.15论文答辩日期2014.05.22学位授予单位和日期电子科技大学2014年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。IMPLEMENTATIONANDIMPROVEMENTOFIEEE802.15.4PROTOCOLBASEDONCONTIKI/COOJAPLATFORMAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:CommunicationandInformationSystemAuthor:JianQiueSunAdvisor:LLixiangMaixiangMaSchool:SchoolofCommunicationandInformationEngineering独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要随着无线传感器网络技术的发展和应用需求的推动，对无线传感器网络的研究日益活跃，特别是IEEE802.15.4标准发布之后，由于其低功耗、低速率的特性特别适合于无线传感器网络的应用需求，该标准迅速成为国内外学术界研究热点。本文依托与企业合作项目，该项目需要在Contiki/Cooja平台上实现IEEE802.15.4-2006协议信标模式并作为底层协议为后续的研究提供协议支持。本文首先对IEEE802.15.4-2006协议进行了详尽分析，深入理解了该协议的特性、功能架构和协议流程。同时，本文研究开源平台Contiki/Cooja，掌握了该平台的系统结构、进程模型、事件调度机制以及系统协议栈。最后，本文将项目需求中涉及的功能模块进行实现，包括了PAN网络的创建与维护、网络扫描和设备发现、CSMA/CA信道接入算法、关联与同步以及报文缓存与收发等功能。随后，本文选择主流仿真平台NS2中标准的典型实现作为对比版本，并选取端到端时延、丢包率和吞吐量三个网络参数作为验证本文实现的版本正确性的评判依据。仿真结果表明，本文实现的版本与参考版本在上述网络性能方面在近似的仿真场景中都具有一致性，同时考虑到不同平台间存在不可避免的差异性，因此可以认为本文正确的实现了该标准。由于IEEE802.15.4信标模式中基于超帧结构进行活跃期占空比控制的节能机制不能动态适应多变的网络环境，本文针对能量供应充足但对网络可靠性和吞吐量有更高需求的应用场景，提出了基于标准超帧结构的NDAP算法，该算法能够根据节点感知的网络环境动态调整实际活跃期并通过信标实现节点间的同步调整。最后本文在Contiki/Cooja平台中对该算法性能进行性能仿真，仿真结果表明在供电充足的应用场景且不考虑节能问题的情况下，NDAP算法在单跳拓扑环境中使网络的可靠性和吞吐量有明显提高，而在多跳拓扑环境中上述性能也获得了一定的改善。关键词：无线传感器网络，IEEE802.15.4，Contiki/CoojaABSTRACTIIABSTRACTAsrapiddevelopmentofwirelesssensornetworktechnologyandapplicationrequirements,theresearchofwirelesssensornetworkshasbecomeincreasinglyactive,especiallyafterthereleaseoftheIEEE802.15.4standard,duingtothecharacteristicsofIEEE802.15.4standard,suchaslowpowerandlowdatarate,aresuitableforapplicationdemandsinWSN,thestandardisrapidlybecomingaresearchhotspot.Reliedoncooperationprojectwithcompany,whichrequirestheimplementationofIEEE802.15.4-2006protocolbeaconenablemodeontheContiki/Coojaplatformastheunderlyingprotocolandagreementtoprovidesupportsforthefollow-upstudy.ThepaperalsomakesadetailedanalysisofIEEE802.15.4-2006protocol,toacquireadeepunderstandingofthecharacteristic,architectureandprotocolflow.What’smore,thispaperstudytheopen-sourceplatformincludingtheplatformsystemstructure,processmodel,eventschedulingmechanismandsystemprotocolstack.Thenthispaperhasimplementedspecifiedmodulesrequiredbytheproject,includingthePANnetworkcreationandmaintenance,networkscanninganddevicediscovery,CSMA/CAchannelaccessalgorithms,association,synchronization,packetbuffedmechanismandpacketsendandreceiveunit.Then,themainstreamstandardNS2simulationplatformisselectedascontrastversion.What’smore,threenetworkparameterssuchasenddelay,packetlossrateandthroughputarechoosedasverifiedjudgethecorrectnessofimplementedversioninthisarticle.Theperformancesimulationresultsshowthatthecurrentversionhasobviousconsistencywiththereferenceoneintermsofthreeparametersmetionedaboveundertheapproximatedsimulationscenarios.Takingintoaccounttheinevitabledifferencesexistbetweendifferentplatforms,wecanmakeconclusionthatthisarticlecorrectlyimplementsthestandard.Sinceenergy-savingmechanismbasedonactivedutycontrolofsuperframestructureintheIEEE802.15.4beaconmodecannotdynamicallyadapttochangingnetworkenvironment.Aimingatthescenariowherethereisahigherdemandfornetworkreliabilityandthroughputwithadequatesupplyofenergy,thepaperproposedNDAPalgorithmbasedonthestandardsuperframestructure.ThealgorithmcanABSTRACTIIIdynamicallyadjusttheactualactiveperiodaccordingtothenetworkenvironmentsensoredbynode.Synchronizationadjustmentisachievedbybeacons.Finally,theperformanceofthealgorithmissimulatedonContiki/Coojaandthesimulaltionresultshowsthatunderthescenariowithsufficientpowersupplyandwithoutconsideringenergyissues,NDAPalgorithminasingle-hoptopologyofthenetworkenvironmenthassignificantlyimprovedthereliabilityandthroughput,andtheenvironmentinamulti-hoptopologyalsoreceivedsomeimprovement.Keywords:wirelesssensornetwork,IEEE802.15.4,Contiki/Cooja目录IV目录第一章绪论...............................................................................................................11.1无线传感器网络概述.....................................................................................11.2无线传感器网络研究现状.............................................................................21.3论文研究的内容.............................................................................................41.4论文章节安排.................................................................................................4第二章IEEE802.15.4协议分析................................................................................62.1IEEE802.15.4-2006网络组