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面向信息物理系统的自适应实时可靠无线MAC协议，硕士学位论文，正文共63页，31371字。
摘要
随着科技水平的不断进步，一项新的研究领域——信息物理系统，越来越受到专家和学者的关注，科学家预测它的出现将会改变了人与自然交互的方式，从而帮助人类更好的认识了解物理世界，甚至会改变人类的生活方式。现有研究发现高可信的网络通信对物理信息系统的应用性能至关重要，但至今未能研究出适合该系统需求的通信协议。
IEEE 802.15.4协议作为低速率无线个域网（Personal Area Network）标准，由于其低功耗、低成本、低复杂度等特点，被广泛用于各类短距离无线网络通信的应用中，如工业控制，电子消费等等。信息物理系统通常由传感器/执行器网络构建而成。因此，IEEE 802.15.4协议也被认为是作为信息物理系统的无线通信协议底层协议最为合适的选择。但是针对信息物理系统的需求特性，我们也发现IEEE 802.15.4协议在实时性可靠性方面的存在一些的不足之处。
为此，本课题将研究如何为信息物理系统构建一款高可信无线MAC协议。为了突出重点，以医疗信息物理系为研究场景，在IEEE 802.15.4 MAC协议的基础上，提出了一款自适应实时可靠无线MAC协议——Ada-MAC协议。该协议可以提供服务质量保障，支持优先级的通信服务，对不同应用提供区分化服务；通过建立时间触发CSMA/CA协议，实现了确定性的实时可靠传输。在此基础上，还具有自适应机制，实现对动态优先级、动态资源分配等自适应功能的支持，从而解决系统环境的动态可变性带来的影响。本文还利用OMNeT++仿真平台对新协议的性能表现进行验证，并对实验结果进行分析展示，充分说明了Ada-MAC协议是一款自适应的、支持区分服务、实时可靠的、实用型无线通信协议，为动态信息物理系统中的高可信网络通信提供了一个有效的解决方案。
关键词：医疗信息物理系统；MAC 协议；IEEE 802.15.4；实时性；可靠性

目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 信息物理系统概述 1
1.1.2 医疗信息物理系统 2
1.2 研究意义 3
1.3 研究现状 5
1.4 本文研究工作 7
1.4.1 主要研究内容 7
1.4.2 研究目标 8
1.5 各章内容介绍 9
2 IEEE 802.15.4协议 10
2.1 IEEE 802.15.4协议概述 10
2.2 网络设备 10
2.3 网络拓扑 10
2.4 通信模式和超帧结构 12
2.5 CSMA/CA机制 13
2.6 IEEE 802.15.4协议体系结构 16
2.6.1 IEEE802.15.4物理层 16
2.6.2 IEEE802.15.4MAC层 17
2.7 数据传输模式 18
2.7.1 向协调节点传输数据（直接传输） 19
2.7.2 协调节点传输数据（间接传输） 19
2.8 本章小节 20
3 Ada-MAC 协议设计与分析 21
3.1 Ada-MAC协议简介 21
3.2 超帧结构 21
3.3 支持优先级回退的CSMA/CA机制 23
3.4 优先级队列 24
3.5 动态保障时隙分配策略 25
3.5.1 算法分析 25
3.5.2 算法流程详细描述 27
3.6 本章小结 30
4 Ada-MAC协议仿真与实验结果分析 31
4.1 OMNeT++仿真软件简介 31
4.2 协议仿真设计 32
4.2.1 MAC模块 32
4.2.2 PHY模块 34
4.2.3 队列（queue）模块 34
4.3 实验仿真模型设置 34
4.4 性能评估指标 37
4.5 仿真结果与分析 38
4.5.1 平均（最大）端到端时延 38
4.5.2 报文及时发送成功率 41
4.5.3 数据包队列丢失率 44
4.5.4 数据丢包率 45
4.5.5 非竞争期宽带有效利用率 45
4.6 本章小结 47
结 论 48
参 考 文 献 50
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 55
致 谢 56
大连理工大学学位论文版权使用授权书 57