ZigBee网络的分簇及节能路由协议研究

【摘要】：现阶段ZigBee技术的应用非常广泛，关于ZigBee网络路由协议的研究也很多。但是目前ZigBee网络的应用环境开始逐渐从网络规模小、覆盖范围窄的小网络场景转向网络规模大、覆盖范围广的大网络场景，而ZigBee现有路由协议受到本身性能的约束，实际运用效果并不佳。为此，本文以大规模ZigBee网络为背景，旨在减小路由开销的情况下，节约网络节点能耗，以提高其能效性。另外，在分析传统的ZigBee网络路由协议基础上，本文采用了一种有别于现有ZigBee分簇路由协议的快速、简单的分簇方法，并借鉴ZBR路由协议的多协议结合使用的思路，改进设计了一种新型的适合于大密度网络环境的ZigBee网络分簇及节能的路由协议ZB-CESRP。 在传统的大型传感器网络中，对网络进行逻辑分簇是一种用以解决在此类场景中所将面临通信问题的基本方法，然而将分簇方法应用于ZigBee网络路由协议方面的研究却不多。本文针对大规模的ZigBee网络，采用逻辑簇划分思想，同时结合了ZigBee网络由中心PAN协调器发起组网的特点——在组网同时以PAN节点及其直接ZR子节点为初始簇头的新型快速成簇方法，且网络中节点角色简单。在逻辑分簇的基础上，将节点之间的通信分为簇内通信与簇间通信两种情况，与之相对应的路由机制也分为簇内路由与簇间路由。ZB-CERSP协议借鉴了ZBR路由协议的思路，并对其进行了改进：簇内通信使用改进的树路由协议，节点在查询表项未果的情况下，使用树路由机制来发送报文，这样不仅避免了树路由的路径过长问题，而且也不用路由寻找的发起过程；簇间路由则使用区域路由的方式，簇间节点的路由建立是以寻找离源节点最近的能够通往目的簇的中间节点为首要任务，此种设计有利于缩小路由报文的传播范围，减少路由开销。此外，为了节约簇头节点能量、均衡网络能耗，ZB-CESRP协议提出了一些辅助机制，如簇头轮换策略、路由过程中中心协调器PAN节点的避让策略等，还设计了路由维护机制，随后也对簇维护相关机制的问题进行了讨论。 最后，通过仿真实验平台的搭建，完成了对本文设计的ZB-CESRP协议和ZBR路由协议以及树路由协议的相关性能的验证与分析比对。实验结果充分验证了改进后的ZB-CESRP协议的性能优越性，尤其是在大规模网络场景中，该协议能够有效地减少路由开销，较大程度上降低了节点的能量消耗，而且在控制数据传输的端端延迟和丢包率方面也凸显一定成效。 【关键词】：ZigBee网络 ZB-CESRP协议 分簇 路由开销 节点能耗
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 引言14-16
• 1.1 课题研究背景14
• 1.2 论文研究内容与目的14-15
• 1.3 论文章节安排15-16
• 第二章 ZigBee 路由协议综述16-29
• 2.1 ZigBee 组网技术16-18
• 2.1.1 ZigBee 网络设备类型16-17
• 2.1.2 ZigBee 网络拓扑结构17-18
• 2.2 ZigBee 网络路由协议设计的一般要求18-19
• 2.3 典型路由协议分析19-28
• 2.3.1 树路由协议19-22
• 2.3.2 AODVjr 协议22-23
• 2.3.3 ZBR 路由协议23-25
• 2.3.4 ME-AODV 协议25-28
• 2.4 小结28-29
• 第三章 ZigBee 网络的分簇及节能路由协议研究29-53
• 3.1 ZB-CESRP 协议提出背景29-30
• 3.2 ZB-CESRP 协议设计思路30-32
• 3.3 ZB-CESRP 协议详细设计32-48
• 3.3.1 成簇规则设计32-37
• 3.3.2 节点的通信及路由建立37-42
• 3.3.3 簇头轮换策略42-44
• 3.3.4 路由维护机制44-47
• 3.3.5 簇维护机制相关问题讨论47-48
• 3.4 ZB-CESRP 协议工作流程48-49
• 3.5 ZB-CESRP 协议报文格式49-52
• 3.5.1 报文通用头部格式50
• 3.5.2 簇头广播通告报文50-51
• 3.5.3 HELLOCLUSTER 报文51
• 3.5.4 RREQ 路由请求报文51-52
• 3.5.5 RREP 路由回复报文52
• 3.6 小结52-53
• 第四章 ZB-CESRP 协议仿真实验与结果分析53-73
• 4.1 NS-2 概述53-54
• 4.2 ZigBee 网络路由协议性能的度量指标54-55
• 4.3 ZB-CESRP 协议仿真实验与结果分析55-71
• 4.3.1 仿真模块的实现55-56
• 4.3.2 仿真参数设定56
• 4.3.3 仿真场景一：25 个节点56-60
• 4.3.4 仿真场景二：49 个节点60-64
• 4.3.5 仿真场景三：81 个节点64-67
• 4.3.6 仿真场景四：121 个节点67-71
• 4.3.7 仿真结果小结71
• 4.4 小结71-73
• 第五章 总结与展望73-75
• 5.1 本文主要工作73-74
• 5.2 下一步研究目标74-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-78
• 攻读硕士学位期间的研究成果78-79

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