试论802.15.4收发器时间窗口同步协议的研究与实现

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1、华东师范大学硕士学位论文802.15.4收发器时间窗口同步协议的研究与实现姓名：虞航申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：王能20070901论文摘要IEEE802．15．4是为低速率、低功耗、低复杂度、短距离传输节点的互联设计的工业标准。该标准被广泛运用于无线个人区域网络(WPAN)中。802．15．4的non．beacon模式支持mesh拓扑。但在mesh拓扑中，一般要求coordinator节点始终打开无线收发器，从而保证互联。因此无线收发器会消耗较多能量。考虑到此类网络数据传输不频繁，因此希望各coordinator节点的无线收发器能在同一个时间窗口内开

2、启，而在其它较长的时间内关闭，以降低能耗。为此，本文设计并实现了一个时间窗口同步协议，完成这个功能。本文首先分析了802．15．4协议栈和现有的时间窗口同步技术。在这基础上提出一种基于广播的时间同步机制。收发广播同步报文时，通过控制MCU负载和CSM№A算法的参数减少收发延时的不确定性。然后用最小方差线性拟合技术进一步提高同步精度。全网同步时，构造一颗逻辑同步树。同步沿着树的枝干进行。时问窗口同步协议使用了上述时间同步机制维护全网的时间窗口。协议同时为网络物理拓扑的变化提供了解决方案，使得物理拓扑变化时，仍能有效地维护全网的时间窗口。本文在Freescale的802．15

3、．4开发套件上实现了上述时间同步机制，并对一个8层的逻辑同步树作了约2小时15分钟的同步精度的测试。结果显示，同步精度随着同步树层次的增加而降低。在第8层，平均同步精度为86．3us，并且在98_7％的情况下同步误差不超过320us。在同样的实验平台上也实现了完整的时间窗口同步协议。通过简单的功能测试，显示出协议在网络物理拓扑变化的情况下仍能维护全网的时问窗口。关键字：802．15．4，时间同步，低功耗，WPANIEEE802．15．4isanindustrialstandardwidelyusedforinterconnectionbydatacommunication

4、devicesusinglowdatarate，lowpowerandlowcomplexity,short—rangeradiofrequency(RF)transmissionsinawirelesspersonalareanetworkfWPAN)．Thenon-beaconmodeof802．15．4supportsmeshtopology．However,theradiooneverycoordinatorinnon—beaconnetworkhastoremainactivetoensureconnectivity,whichconsumesconsidera

5、bleamountofpower．GiventhefactthatdatarateisIowinsuchnetwork．itisdesiredthateveryradioonthecoordinatorinthewholenetworkisactiveinthesametimewindowandstaysinactivefortherestofthetimetosavepower．Thispaperproposedaprotocoltoachievesynchronizationandmaintaintimewindow．Basedonthestudyof802．15．4

6、protocolandtimesynchronizationtechnique，atimesynchronizationschemewasproposed．Theschemeisbasedonsynchronizationpacketbroadcast．Whenbroadcasting，MCUloadandparametersforCSMNCAalgorithmarecontrolledtoreducetheuncertaintyofbroadcastdelay．Leastsquarelinearfittingisalsousedtoachievefurthersynch

7、ronizationprecision．Tosynchronizethewholenetwork，alogicsynchronizationtreeisused．Nodesaresynchronizedalonetheedgeofthetree．Thetimewindowsynchronizationprotocolusestheproposedsynchronizationscheme．Theprotocolisalsoaccommodatedforphysicaltopologychange．Thetimesynchron