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基于能量优化的ZigBee网络路由算法仿真研究

作　者: 吴英杰
导　师: 徐东平；李勇华
学　校: 武汉理工大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: ZigBee网络 Cluster-Tree AODVjr 能量优化 NS2仿真
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

ZigBee是一种基于开放性的,拥有国际标准的低成本、低功耗、低数据速率、低复杂度、高可靠性的新型短距离无线通信技术,在自动化工业、自动化家居以及无线传感器等领域都具有十分广阔的应用前景,已经成为当前研究的一个热点。随着ZigBee技术的不断发展与完善,它将为现代信息社会的工作带来一场新的革命。由于ZigBee网络使用的是电池供电,所以网络的寿命很大程度上依赖于电池的有效利用,同时电池的能量是有限的,也就只能通过其他方式来延长网络的寿命。也就是通过路由算法来节省网络的能量,通过有效利用节点的能量达到延长网络的寿命。目前针对ZigBee网络的能量有效算法已经成为网络研究的一个重要课题。基于能量优化的ZigBee路由算法,结合了AODVjr路由算法和Cluster-Tree路由算法的优点。AODVjr路由算法有查询路由的功能,可以通过邻居节点来转发数据,还可以根据目的地址进行路由。Cluster-Tree路由算法是不需要考虑路由,直接将数据转发给父节点或者子节点,因此它所需要消耗的能量较少。在网络运行的过程中,设置一个能量阀值,用来区分两种算法。如果节点的最小剩余能量大于能量阀值,则说明该节点的能量充足,使用AODVjr算法来充分发挥路由功能；如果节点的最小剩余能量小于能量阀值,则表示该节点的能量不足,使用Cluster-Tree算法来减轻能量的消耗,最终达到整个网络的能量负载均衡,从而延长整个网络运行的时间。本文首先介绍了ZigBee网络的特点及基本概念,然后对目前ZigBee网络的Cluster-Tree路由算法和AODVjr路由算法进行了详细阐述,并分别分析了这两种路由算法存在的不足。在此基础上,本文从节约网络能量和延长网络生命周期的角度,针对两种不同的路由算法提出了改进的基于能量优化的ZigBee网络路由算法。同时,本文使用NS2仿真器对AODVjr算法、Cluster-Tree算法以及改进的路由算法进行仿真,并对实验结果进行详细的研究和分析,通过实验结果的分析,证明了改进的算法能有效地节省网络的总体能量消耗,实现负载均衡,最大化网络的生存时间。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 研究意义  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-13
  1.4 ZigBee技术简介  13-16
    1.4.1 ZigBee技术优势  13-14
    1.4.2 与其他无线通信技术的性能比较  14-15
    1.4.3 ZigBee技术的发展应用前景  15-16
  1.5 本文组织结构  16-17
第2章 ZigBee技术协议栈  17-29
  2.1 ZigBee协议栈  17-19
  2.2 ZigBee物理层  19-20
  2.3 ZigBee MAC层  20-22
  2.4 ZigBee网络层  22-23
  2.5 ZigBee网络组网  23-29
    2.5.1 ZigBee网络节点配置  24-25
    2.5.2 ZigBee网络拓扑结构  25-26
    2.5.3 网络地址的分配  26-29
第3章 ZigBee网络路由算法研究与分析  29-37
  3.1 Cluster-Tree路由算法  29-31
    3.1.1 Cluster-Tree算法流程  29-30
    3.1.2 Cluster-Tree算法路由维护  30
    3.1.3 Cluster-Tree算法优缺点  30-31
  3.2 AODV路由算法  31-33
    3.2.1 AODV算法原理  31-32
    3.2.2 AODV算法路由维护  32
    3.2.3 AODV算法缺陷  32-33
  3.3 改进AODV的AODVjr算法  33-35
    3.3.1 AODVjr路由发现过程  33-34
    3.3.2 AODVjr路由维护过程  34-35
    3.3.3 AODVjr本地路由修复过程  35
  3.4 结合AODVjr和ZigBee改进的路由算法  35
  3.5 改进算法的路由维护  35-36
  3.6 小结  36-37
第4章基于能量优化的ZigBee路由算法仿真研究  37-48
  4.1 提出问题  37
  4.2 设计目标  37-38
  4.3 改进算法理论准备  38-43
    4.3.1 降低ZigBee网络能量消耗的策略  39
    4.3.2 能量有效路由量度  39-40
    4.3.3 最小剩余能量和能量阀值定义  40-42
    4.3.4 路由算法性能比较仿真  42-43
  4.4 改进的路由算法详细设计  43-48
    4.4.1 各节点的数据包处理流程  43-45
    4.4.2 能量有效路由算法  45-48
第5章仿真实验  48-59
  5.1 仿真工具NS2简介  48-50
    5.1.1 NS2基本简介  48-49
    5.1.2 NS2仿真原理  49
    5.1.3 NS2的使用方法  49-50
    5.1.4 NS2特点  50
  5.2 仿真方案  50-58
  5.3 本章小结  58-59
第6章总结与展望  59-61
  6.1 总结  59
  6.2 展望  59-61
参考文献  61-64
致谢  64

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