基于ZigBee网络的能量均衡路由算法研究

摘要

随着网络通信、信息技术的日新月异，无线个域网越来越受到人们的关注。ZigBee技术作为新兴的专为无线个域网而设计的，基于IEEE802.15.4无线通信标准的双向无线通信技术或无线网络技术，具有系统开销小、传输速率快、能耗低等特点，逐渐取代了传统无线传感器网络技术在工业、医疗、移动通信以及数字智能家居等邻域中的地位，成为目前国内外各大通信公司以及学者研究的“热点”之一。但是，由于ZigBee技术刚刚起步，许多理论体系还未成熟，再加上其硬件系统的复杂性，致使许多研究人员将目光放到了ZigBee协议的网络层上，对路由算法进行相应改进，从而解决ZigBee技术在实际应用中遇到的网络能量不均衡、网络易瘫痪等问题。因此，如何尽可能的均衡网络能量负载，延长网络生命周期成为目前ZigBee协议研究的重要课题之一。
　　本文综合考虑单个节点生存周期和整个网络能量消耗，提出了一种基于权值分簇的ZigBee能量均衡路由算法。通过定义节点能量水平以及节点权值，建立一种基于权值的分簇机制，避免单个节点的不必要能量消耗和死亡。在数据传输机制方面，为避免产生大量冗余的RREQ分组，规定只有簇首才能广播RREQ报文，通过限制RREQ洪泛方向，避免大量冗余RREQ分组产生。在簇首轮换上，引入节点相似度概念，簇首在簇内选择与自己相似度大的FFD邻居节点担当替补簇首，从而尽可能减小网络拓扑结构变化，避免重新分簇带来的额外能耗。路由修复过程中，根据失效链路两端节点关系选择不同的路由修复策略。基于NS2网络仿真平台对改进算法进行设计和实现，并从路由开销、平均端到端延迟、递交率、节点存活率以及网络剩余能量等方面与ZBR路由算法相比较。
　　实验表明，改进算法相较于ZBR路由算法减小了3.6％的网络整体能量消耗，延长了约15％的网络生命周期，达到了均衡负载，延长网络生命周期的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 簇树路由研究现状

1．2．2 网状路由研究现状

1．2．3 混合路由研究现状

1．3 课题主要研究内容

第2章 基于ZigBee路由协议研究

2．1 ZigBee网络技术

2．1．1 ZigBee网络节点类型

2．1．2 ZigBee网络拓扑结构

2．1．3 ZigBee组网和网络工作模式

2．2 ZigBee网络地址分配机制

2．3 ZigBee网络层基本路由算法

2．3．1 Cluster-Tree算法

2．3．2 AODVjr路由算法

2．3．3 ZBR路由算法

2．4 基于分簇的ZigBee路由算法

2．4．1 分簇思想

2．4．2 ME-AODV路由算法

2．4．3 ZiCL路由算法

2．5 本章小结

第3章 基于权值分簇的ZigBee能量均衡路由算法

3．1 提出问题

3．2 算法模型

3．2．1 基本概念

3．2．2 前提条件假设

3．3 基于权值分簇的ZigBee能量均衡路由算法详细设计

3．3．1 剩余能量与能量水平定义

3．3．2 节点权值定义

3．3．3 分簇机制

3．3．4 数据传输机制

3．3．5 簇首轮换机制

3．3．6 路由维护机制

3．4 本章小结

第4章 基于NS2的改进算法实现

4．1 NS2概述

4．2 改进算法在NS2平台下的实现

4．2．1 WPAN底层模块

4．2．2 改进算法模块

4．3 改进算法实验仿真与结果分析

4．3．1 权值系数计算

4．3．2 NS2仿真参数设定

4．3．3 仿真结果分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢