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ZigBee网络孤立点问题与节能路由算法研究

作　者: 王文章
导　师: 王波
学　校: 重庆大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 孤立点节能路由算法地址分配 ZigBee AODV
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

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 IEEE802.15.4  21
    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 WiMAX  27
    2.5.3 红外技术  27
    2.5.4 蓝牙技术  27
    2.5.5 RFID  27-28
  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

ZigBee网络孤立点问题与节能路由算法研究

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