基于分簇策略的ZigBee网络路由能量优化方法研究

摘要

ZigBee是一种短距离无线传感器网络标准，以其低成本、低功耗、自组网、体积小等优点成为物联网中解决无线个域网问题的关键技术。
　　ZigBee网络中的节点多采用电池供电，网络中的信息传递效率、网络完整性、网络生命周期等很依赖于各个节点的能量状况，并且ZigBee网络的很多使用场景决定了它在部署后不易于更换电池，所以如何在现有有限能量的基础上尽可能的降低ZigBee网络中节点的能量消耗，保证整个网络的通信效率延长网络的使用周期就显得尤为重要。尽管ZigBee技术自身也采用了一些举措来降低节点的能量消耗，但在降低能耗优化性能上还有较大的改进空间。ZigBee网络层的研究是近些年国内外学者关注和研究的重点，而网络层的标准也在不断的修改完善之中。经典的ZBR算法虽然混合使用了AODVjr和Cluster-Tree协议，但只是指出了可以使用这两种协议，并未详细说明该如何有效地选择和结合两种算法之间的优势，取长补短。本文在深入研究ZigBee路由协议的基础上，提出了一种基于分簇策略的能量优化算法。
　　本文提出的改进算法采用ME-AODV分簇方法将整个ZigBee网络划分为一个个逻辑簇，通过簇来限制RREQ的洪泛方向，减少大量不必要的路由发现过程和因此产生的RREQ冗余。除了考虑单个节点的能量消耗外，本文算法也综合考量关键节点在整个网络中的能量水平，引入能量等级的概念将节点划分为充足、偏低、警戒三个等级，等级的划分标准是动态变化的，它跟节点的网络深度、网络整体的能量状况相关。每个簇中簇首根据自身的能量状况来决定簇内外该选择何种路由协议，有效结合AODVjr协议的最佳路由和Cluster-Tree协议简单节能的优势。此外还采用了备用节点机制，使得节点在能量较低时可以使用备用的节点继续工作。加入延时因子机制，使得节点在能量偏低时降低自己作为路由中间节点的可能性，较好的避免了某些节点因能量耗尽过快而导致死亡，让整个网络各层的负载更加均衡，减少节点的能量消耗，延长了ZigBee网络的使用寿命。
　　本文对改进后的算法在NS2平台上进行与经典ZBR算法的仿真对比，并对结果进行了详细的研究和分析。通过实验结果的对比可知，在分组投递率，全网节点能量消耗，路由开销百分比，网络延迟，剩余能量百分比这几个指标上都优于传统的ZBR算法。改进后的算法可在一定程度上有效的均衡网络中各层节点负载，减缓节点死亡，降低整体能耗，延长ZigBee网络的生命周期。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 ZigBee技术的特点和发展现状

1．3 ZigBee现存的问题及研究方向

第2章 ZigBee技术介绍

2．1 ZigBee网络协议结构

2．2 IEEE802．15．4 协议

2．3 ZigBee网络节点和拓扑结构

2．3．1 ZigBee网络节点类型

2．3．2 ZigBee网络拓扑结构

2．4 ZigBee组网过程

第3章 ZigBee路由算法及分簇策略研究

3．1 ZigBee网络地址分配机制

3．2 ZigBee路由算法

3．2．1 Cluster-Tree路由算法

3．2．2 AODVjr路由算法

3．3 ZigBee网络分簇策略

3．3．1 ZiCL路由算法

3．3．2 ZB-CESRP路由算法

3．3．3 ME-AODV路由算法

第4章 改进的基于分簇策略的能量均衡算法

4．1 ME-AODV建簇法

4．2 节点能量分级

4．3 改进算法的路由过程

4．3．1 簇首能量充足时路由过程

4．3．2 簇首能量偏低时路由过程

4．3．3 簇首能量警戒时路由过程

4．4 路由维护过程

4．5 本章小结

第5章 仿真实验与结果分析

5．1 实验环境搭建

5．2 仿真结果分析与对比

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果