ZigBee网络混合高效路由算法研究

摘要

ZigBee网络是一种根据ZigBee标准组建的短距离、低功耗、低成本、低速率的无线移动通信网络，主要用于通信距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及低反应时间、周期/间歇性数据传输的场合。ZigBee标准提出了TR(Tree Routing)和AODVjr(Ad hoc On-demand Distance Vector junior)两种路由算法。两种算法各有优缺点，近年来结合TR和AODVjr的混合路由算法成为研究热点。随着无线通信技术和微电子技术的发展，无线多媒体传感网应运而生，ZigBee技术在无线多媒体传感网中的应用，对网络的传输带宽有较高的要求。多路径路由算法能够有效地提高ZigBee网络的传输带宽，满足无线多媒体传感网中视频、音频等监测数据的高速传输要求。
　　 本文主要对ZigBee网络的混合路由算法进行深入研究，主要内容包含以下两个方面:
　　 (1)针对现有的ZigBee网络表驱动-按需混合路由算法用泛洪方式寻找最优路径使开销偏大、选路时未考虑节点深度而导致能耗不均的问题，提出一种无需泛洪便能寻获最优路径、选路时综合考虑节点深度和剩余能量的高效混合路由算法一EHRF(Efficient Hybrid Routing without Flooding):借助横向邻居节点，采用单、组播方式建立源、目的节点间的最优路径，避免泛洪带来的额外开销;并且，设计同时考虑节点深度和剩余能量的路由度量新标准，优先使用深度大、剩余能量多的节点参与路由，实现节点能耗均衡，延长网络寿命。理论分析和仿真结果表明，与现有的混合路由算法LF-ZAODV(Limited Flooding ZigBee Ad-hoc On-demand DistanceVector)和TR算法相比，EHRF算法在节点能耗均衡、路由开销和网络寿命等方面的性能整体更优。
　　 (2)针对现有的ZigBee网络基于树路由的多路径路由算法Z-MHTR中网络开销过大，路径建立机制不够优化等问题，提出一种基于树路由的ZigBee网络高效低时延多径路由算法ELDMR(Efficient and Low Delay Multipath Routing):在地址分配阶段，节点通过MAC层监听邻居节点发送分配地址控制分组的个数，选择深度较小、子节点较少的邻居节点作为父节点，减少数据传输阶段的拥塞;通过减少寻路数据分组的发送次数，降低多路径建立的网络开销;节点使用长度较短的路径传输数据，优化路径选择。理论分析和仿真结果表明，与Z-MHTR算法相比，ELDMR算法在网络开销、数据传输时延、网络吞吐量等方面的性能有所改善。
　　 最后，提出ZigBee网络混合路由算法未来的研究方向，并对全文进行总结。

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摘要

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表目录

缩略语

第一章 绪论

1．1 本文研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 ZigBee技术的发展历程

1．2．2 ZigBee网络路由算法的研究现状

1．3 本文的研究内容

1．4 本文的章节组织

第二章 ZigBee网络及其路由算法概述

2．1 ZigBee网络简介

2．1．1 802．15．4标准简介

2．1．2 ZigBee网络节点类型

2．1．3 ZigBee网络的拓扑及特点

2．2 ZigBee网络路由算法概述

2．2．1 树路由算法

2．2．2 AODVjr路由算法

2．3 本章小结

第三章 基于能耗均衡的ZigBee网络高效混合路由算法

3．1 网络模型

3．1．1 ZigBee网络数学模型

3．1．2 能量模型

3．2 问题描述

3．3 能耗均衡的高效混合路由算法设计

3．3．1 EHRF算法描述

3．3．2 路由度量新参数—合成深度

3．3．3 EHRF算法理论分析

3．4 仿真平台概述

3．4．1 OPNET Modeler的主要特性

3．4．2 OPNET Modeler的通信仿真机制

3．5 能耗均衡的高效混合路由算法的仿真建模

3．5．1 网络模型

3．5．2 节点模型

3．5．3 进程模型

3．6 仿真结果及分析

3．6．1 仿真统计量

3．6．2 仿真设置

3．6．3 仿真数据与分析

3．7 本章小结

第四章 基于树路由的ZigBee网络高效低时延多径路由算法

4．1 问题描述

4．2 基于树路由的ZigBee网络高效低时延多径路由算法设计

4．2．1 基于多路径的地址分配

4．2．2 基于树路由的多路径建立

4．2．3 数据传输

4．3 基于树路由的ZigBee网络高效低时延多径路由算法的仿真建模

4．4 仿真结果及分析

4．4．1 仿真环境设置

4．4．2 网络性能评估参数

4．4．3 仿真数据与分析

4．5 本章小结

第五章 总结及未来工作

5．1 总结

5．2 未来工作

致谢

参考文献

附录：攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果