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IEEE 802.15.4是在低速率应用需求的背景下产生的低速无线个域网标准。对于IEEE802.15.4这种新兴的无线网络标准,目前更多地研究集中在模型的建立、性能的评估以及对于低功耗和能量等方面,对于其他网络特性的研究关注不足。本文将研究的重点放在IEEE802.15.4无线网络在时间敏感应用场景下的分析和改进。分别关注于时间敏感应用中IEEE802.15.4网络在数据传输与组网建立连接两方面的特性。一方面,在深入分析和研究IEEE802.15.4标准的基础上,对IEEE802.15.4网络的保护时隙数据传输机制(GTS)与其他数据传输方式进行比较,得到了GTS传输机制适合于实时应用的初步结论。并进一步采用新兴的网络微积分的数学分析方法对GTS机制的时延边界进行网络模型建立以及数学分析,给出了GTS机制网络延时边界的推导和参考公式。最终得到了在实时应用下,根据应用环境不同的GTS参数最佳取值的指导性结论。另一方面,本文通过分析和研究IEEE802.15.4组网络连接机制,指出了其在网络时延方面的应用缺陷,并提出一种针对时间敏感应用的快速组网连接机制(Fast Association Mechanism)。通过NS2网络仿真,得到的结果表明FAM机制在组网连接机制的两个步骤——信道扫描和连接过程中,分别比原标准缩短了大约90%和80%,对于时间敏感的应用改进效果非常明显。最后,本文采用ZigBee开发平台对于网络连接机制的改进进行了系统实现。提出了在该平台下的系统设计方案,包括场景设计、计时方式的选择以及数据帧格式的重新定义。同时论述了本系统的软件设计流程以及上位机软件的设计和实现。最终,通过实测系统下的实验测试,得到了与NS2仿真中相似的结果。