ZigBee网络孤立点问题与节能路由算法研究

【摘要】： 随着我国城市化进程和城市基础设施建设的加快,如何保障城市排水管网的运行安全是急需解决的问题。建立城市排水管网安全运行动态监测系统是必要的。在山地环境中,有线网络存在布线难度大、人工维护难等缺点,而大中城市排水管网监测区域大,若每个传感器直接采用GSM/GPRS等蜂窝通信模块上传数据,则系统需要部署大量价格高的蜂窝通信通信模块且蜂窝模块耗电量大,导致系统建设成本高而且维护工作量大。ZigBee无线传感器网络具有降低投资成本、结构灵活、易于改造、无需布线的优势,已得到越来越多的应用。但ZigBee是一个逐渐成熟的新型无线短距离通信技术,存在一些不足,包括ZigBee分布式地址分配机制影响网络地址资源的充分利用,且其节点参数配置不当会导致网络孤立点(不能成功入网的节点),使某些期望的连接被断开,造成一些部署设备的空置和网络连接率的降低,导致硬件资源的浪费,甚至无法及时得到某些重要监测数据。 为了满足城市排水管网的应用需求,拓宽网络的覆盖范围,避免网络监测设备成为孤立设备,针对ZigBee孤立点问题,分析了ZigBee技术连接机制和ZigBee分布式地址分配机制以及导致孤立点问题的原因,提出了减少孤立点的新思路,给出了减免ZigBee网络孤立点的算法,用开发的算法测试程序测试算法的可行性,结合网络层帧结构,设计了适用于转移算法的简洁命令帧。其次,为了降低ZigBee网络节点设备的能耗,针对大中城市排水管网规模大的特点,采用分簇思想,设计了一种节能路由算法,即MBC-AODV-Cluster算法,对算法进行了模拟和结果分析。 孤立点减免算法模拟测试结果表明,该算法能够有效地利用ZigBee网络地址资源,明显减少ZigBee网络孤立点,部署设备的网络连接率可提高7%-13%。在相同环境下,对MBC-AODV-Cluster算法与AODV算法进行了比较,结果表明该算法能够降低5%的能耗,MBC-AODV-Cluster算法的报文发送成功率随着网络节点的增加逐渐减少,但明显优于AODV算法,降低了数据传输的延迟及路由控制报文数量。 【关键词】：孤立点 节能路由算法 地址分配 ZigBee AODV
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 选题的背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及不足10-12
• 1.2.1 ZigBee 网络孤立点问题的研究现状10-11
• 1.2.2 ZigBee 网络路由算法的研究现状11-12
• 1.3 本文研究的主要内容与章节安排12-15
• 2 ZigBee 通信协议15-29
• 2.1 ZigBee 协议的起源15
• 2.2 ZigBee 协议框架15-21
• 2.2.1 物理层(PHY)协议规范16-17
• 2.2.2 媒体接入控制层(MAC)层协议规范17-18
• 2.2.3 网络层(NWK)协议规范18-20
• 2.2.4 应用层(APL)协议规范20-21
• 2.3 ZigBee 协议机制21-24
• 2.3.1 IEEE802.15.421
• 2.3.2 服务机制21-22
• 2.3.3 安全机制22-23
• 2.3.4 消息传输机制23-24
• 2.4 ZigBee 协议的特点及应用24-27
• 2.4.1 ZigBee 协议的特点24-25
• 2.4.2 ZigBee 技术应用25-27
• 2.5 与其他无线通信技术的比较27-28
• 2.5.1 无线局域网（WLAN）27
• 2.5.2 WiMAX27
• 2.5.3 红外技术27
• 2.5.4 蓝牙技术27
• 2.5.5 RFID27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 3 ZigBee 孤立点问题的研究29-53
• 3.1 ZigBee 协议网络连接介绍29-35
• 3.1.1 协调器建立网络29-30
• 3.1.2 允许设备与网络连接30-31
• 3.1.3 连接网络31-35
• 3.2 帧格式35-37
• 3.2.1 通用网络层帧格式35-36
• 3.2.2 命令帧36-37
• 3.3 网络地址的分配机制37-38
• 3.3.1 网络参数37
• 3.3.2 分布式地址机制37-38
• 3.4 孤立点问题分析38-40
• 3.4.1 引起孤立点问题的原因38-39
• 3.4.2 孤立点问题解决思路39-40
• 3.5 孤立点减免算法的研究40-45
• 3.5.1 减免算法的核心方法40-42
• 3.5.2 孤立点算法步骤42-43
• 3.5.3 算法流程图43-45
• 3.6 减免算法的代码设计及实现45-50
• 3.6.1 代码设计45-48
• 3.6.2 关键代码48-50
• 3.7 减免算法测试结果及分析50-51
• 3.7.1 模拟测试50-51
• 3.7.2 结果分析51
• 3.8 本章小结51-53
• 4 ZigBee 网络路由算法的研究53-77
• 4.1 ZigBee 网络53-56
• 4.1.1 ZigBee 网络设备介绍53-54
• 4.1.2 ZigBee 网络拓扑54-56
• 4.2 ZigBee 网络路由算法56-60
• 4.2.1 沿树路由算法56-58
• 4.2.2 AODV 算法及其改进58
• 4.2.3 基于能量的算法58-60
• 4.3 MBC-AODV-Cluster 算法60-65
• 4.3.1 簇的形成60-62
• 4.3.2 路由能耗计算62-63
• 4.3.3 路由发现63-65
• 4.4 MBC-AODV-Cluster 算法的测试结果及分析65-76
• 4.4.1 测试平台介绍65-68
• 4.4.2 测试环境及模拟环境构建68-72
• 4.4.3 测试结果分析72-76
• 4.5 本章小结76-77
• 5 总结与展望77-79
• 5.1 总结77
• 5.2 展望77-79
• 致谢79-81
• 参考文献81-85
• 附录85

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