无线传感器网络MAC协议分析与实现

本书研究分析了已有的无线传感器网络MAC协议优点和不足，在轮询控制机制的基础上展开研究，一直以来对轮询系统模型一阶和二阶特性的准确解析一直是一个难点，尤其是对二阶特性的准确解析，其过程相当复杂故难度非常大。本书采用嵌入式Markov链和概率母函数的分析方法对轮询系统进行研究。分别分析研究了基本的轮询系统、区分忙/闲环的并行调度轮询系统、非对称接近轮询服务系统、区分优先级的双队列多服务台排队系统。并在此基础上对轮询系统进行实现研究，采用了无线传感器网络操作系统TinyOS、FPGA来进行实现研究，对MAC帧结构、轮询控制流程都做了详细的设计，以实际的应用场景来对比分析各类轮询系统的优劣性。

杨志军，1968年生，博士，研究员，云南大学信息学院硕士生导师，云南省教育科学研究院副院长，被授予“云南省技术创新人才”，中国教育技术协会信息技术教育专业委员会常务理事，中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会理事，云南省教育体制改革咨询委员、教育信息化专家委员会成员，云南省计算机科学与技术专业教学指导委员会副主任。1990年毕业于浙江大学计算机系，2008年成为云南大学信息类专业的首名博士。曾到美国乔治？华盛顿大学作为访问学者和瑞典参与国际项目。长期以来致力于无线网络、轮询控制系统和教育信息化等研究工作，编撰了《云南省教育信息化发展规划(2013―2015)》，主持制订了《云南教育数据中心建设方案》等。同时，结合实践在信息技术领域开展深入研究，参与国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目一项，主持国家自然科学基金项目一项，参与三项。工作和研究过程中取得了一系列成果，在《电子学报》《Tsinghua Science and Technology》(《清华大学学报》)《中国电化教育》等国内外核心期刊及会议上发表论文三十多篇，其中二十多篇被SCI、EI收录，出版专著两部。作为主持人，2013年获云南省科学技术奖自然科学奖二等奖，2015年获云南省信息通信科学技术奖三等奖和云南省教育科研成果奖三等奖，2017年获中央军委军队科学技术进步奖三等奖。

前言
第一章 无线传感器网络MAC协议概述
第一节 无线传感器网络简介
一、无线传感器网络体系结构
二、无线传感器网络的特性
三、无线传感器网络的主要应用
第二节 无线传感器网络MAC协议简介
一、无线传感器网络MAC协议设计原则
二、无线传感器网络MAC协议研究现状
第二章 无线传感器网络MAC协议基本轮询系统模型
第一节 基本轮询系统模型
第二节 门限服务系统
一、平均排队队长
二、平均查询周期
三、平均等待时间
第三节 接近服务系统
一、平均排队队长
二、平均查询周期
三、平均等待时间
第四节 限定(k=1)服务系统
一、平均排队队长
二、平均查询周期
三、平均等待时间
第五节 三种基本的轮询服务系统性能的分析和比较
本章小结
第三章 区分忙／闲环的并行调度轮询系统分析研究
第一节 区分忙／闲环的并行调度轮询系统模型
一、系统模型分析
二、平均排队队长
三、平均查询周期
四、平均等待时间
五、数值理论分析及实验分析
六、改进后模型与单一门限服务的比较
第二节 区分忙／闲节点的无线传感器网络轮询控制机制研究
一、帧的设计
二、接入控制过程描述
三、区分忙／闲环的并行调度轮询控制的调度机制
四、实验分析
五、模型的电池损耗节能分析
本章小结
第四章 非对称接近轮询服务系统研究
第一节 非对称接近轮询服务系统模型
一、数学模型的构建
二、仿真及实验分析
第二节 两级优先级非对称轮询服务系统研究
一、两级优先级非对称轮询数学模型
二、仿真实验及性能分析
第三节 非对称及区分优先级非对称轮询系统研究
第四节 基于轮询系统的数据采集方案
一、点对点通信实现数据采集的形式
二、轮询系统实现数据采集
本章小结
第五章 区分优先级的双队列多服务台排队系统研究
第一节 经典排队模型分析
一、经典排队论概述
二、两个重要分布
三、Little定理
四、Markov链
五、几种常见的排队模型
第二节 具有两种会话类型的多服务台排队系统分析
一、系统模型描述
二、模型分析
三、系统的稳态方程
四、不同会话类型的平均用户数和阻塞率
五、仿真实验分析
第三节 区分优先级的双队列排队系统分析
一、区分优先级的双队列单服务台排队模型分析
二、区分优先级的双队列双服务台排队模型分析
三、区分优先级的双队列多服务台排队模型分析
本章小结
第六章 基于Tinyos的无线传感器网络MAC协议分析研究
第一节 TinyOS系统概述
一、TinyOS的特点
二、TinyOS体系结构
第二节 基于TinyOS的MAC协议设计
一、MAC协议及文件组织结构
二、超帧结构
三、MAC层帧结构
四、无线传感器网络轮询控制功能设计
第三节 基于TinyOS的轮询控制MAC协议实施
一、传感器节点的选择与结构
二、Cortex-M3处理器简介
三、CC2538内部及外围电路
第四节 基于TinyOS的无线传感器网络MAC协议实现
一、message.t消息结构体
二、CC2538射频通信实现
三、基于TinyOS的轮询控制功能实现
第五节 三类轮询控制系统实施研究
一、实施系统工作条件
二、三类轮询控制系统实施结果分析
第六节 基于TinyOS的区分优先级轮询控制系统模型研究
一、系统模型
二、平均排队队长分析
三、平均时延分析
四、区分优先级的轮询控制系统设计研究
本章小结
第七章 基于FPGA的区分优先级混合服务两级轮询系统分析研究
第一节 区分优先级的混合服务两级轮询系统模型
一、系统模型
二、平均排队队长分析
三、平均时延分析
第二节 基于FPGA的区分优先级混合服务两级轮询系统实现
一、信源模块
二、站点模块
三、控制模块
四、接收模块
五、系统实现及仿真分析
本章小结
参考文献