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基于LR-WPAN网络层的节能路由算法的研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-20 12:08:54
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基于LR-WPAN网络层的节能路由算法的研究【摘要】:ZigBee技术是一种低速率、低功耗、低成本、高可靠性和可组建大规模网络的技术,它可应用在工业控制、智能家居监控、医疗监护、军

【摘要】:ZigBee技术是一种低速率、低功耗、低成本、高可靠性和可组建大规模网络的技术,它可应用在工业控制、智能家居监控、医疗监护、军事作战、安全系统等领域。IEEE 802.15.4和ZigBee联盟联合致力于一种低速率网络标准的开发。IEEE 802.15.4负责制订底部的两层:物理层和媒体接入控制层;ZigBee联盟负责制订协议的上层:网络层和应用层。目前,节约能耗是LR-WPAN的研究热点,因为节能是一个永恒的话题,现在提倡的低碳生活就是要把节能的概念放在第一位。 本文在了解ZigBee各层协议的基础上,深入研究了ZigBee网络层路由算法,通过阅读大量的ZigBee路由优化的参考文献,又对ZigBee路由(ZBR)的性能进行了详细的分析,提出了以下创新研究点:一是针对RN+节点的特性,提出优化RN+节点的路由方式,使得RN+节点不会因为能量过低退出网络而使网络不可用,该算法可以有效地节省网络开销,延长网络寿命。二是利用分簇来确定FFD节点在网络中采用何种路由算法,并在分簇的基础上对网络的路由进行优化。该算法能够节省很大一部分无谓的能量消耗,可以节省网络能量,延长网络生命周期。 本文共分为五章,章节安排如下: 第1章是绪论。主要对无线个域网WPAN技术及低速无线个域网LR-WPAN技术进行简要介绍,重点介绍了ZigBee技术各个层次的研究现状,研究者们针对各个层次的研究点,应用场合及发展前途。还将ZigBee技术与其他无线短距离通信技术进行了比较,以表现出ZigBee的优越性。概括了本文的主要工作内容。 第2章是IEEE 802.15.4/ZigBee网络协议及技术概述部分,概述了ZigBee技术协议的结构,IEEE 802.15.4标准的物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC),ZigBee协议网络层(NWK)及应用层(APL)以及ZigBee网络结构,为后续的理论研究做了一定的铺垫。 第3章是基于节点特性的LR-WPAN网络能量优化路由算法,该章首先介绍了一些与LR-WPAN/ZigBee网络层相关的路由算法(AODV算法,AODVjr算法及Cluster-tree算法),然后总结了一些与ZigBee路由相关的论文,提出了一种优化RN+节点路由的算法(F-ZBR),该算法规定网络传输路由请求分组(RREQ)的最大跳数,减少部分的冗余RREQ分组,又根据节点之间的父子关系来限制路由请求分组的走向,以减少另一部分冗余的RREQ分组;还定义了最小路由能量,使得能量较低的RN+节点采用比AODVjr能耗小的Cluster-tree算法寻找路由,尽可能的减少能量低的RN+节点的能量消耗;又在RREQ分组中加入了能量标志位,使得经过能量低的RN+节点的RREQ分组将能量标志位置为1,当目的节点在选择路径时,会尽量选择能避开能量低的RN+节点的路径。通过从分组投递率,网络中可用节点比率,网络剩余能量百分比三方面对该算法进行仿真分析,并与ZigBee原有协议中的算法进行比较。 第4章是基于分簇的ZigBee mesh网络路由算法,该章首先介绍了ZigBee网络中分簇算法的基本思想,又概述了一种比较好的分簇方法。提出了一种新的基于分簇的路由优化算法(ZCLR),该算法基于节点的特性对簇中的节点分配角色,距离中央协调器偶数跳的有路由能力的节点作为簇头,并采用Cluster-tree路由算法;而距离中央协调器奇数跳的有路由能力的节点作为网关,采用AODVjr路由算法。该算法又在分簇的基础上控制了RREQ分组泛洪的走向,限制了簇内泛洪。通过从端到端时延,分组投递率,网络剩余能量比率,簇头节点能耗四方面对该算法进行仿真分析,并与ZigBee原有协议中的算法进行比较。 第5章是总结部分,对全文进行了总结,并对ZigBee网络今后的发展方向,节能问题可能会涉及的研究点进行介绍,还指出了LR-WPAN发展中需要进一步解决的问题。 【关键词】:LR-WPAN ZigBee 节能 RN+节点 分簇
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN929.5;TP212.9
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-16
  • 1.1 引言10
  • 1.2 低速无线个域网LR-WPAN/ZigBee 技术及其研究现状10-13
  • 1.3 ZigBee 与其它短距离无线技术性能比较13-14
  • 1.4 本文的主要研究内容14-16
  • 第2章 IEEE 802.15.4/ZigBee 网络协议及技术概述16-28
  • 2.1 引言16
  • 2.2 ZigBee 网络特性16-18
  • 2.2.1 ZigBee 网络的设备类型16-17
  • 2.2.2 ZigBee 网络的拓扑结构17-18
  • 2.3 IEEE 802.15.4 标准18-23
  • 2.3.1 IEEE 802.15.4 标准的物理层(PHY)18-20
  • 2.3.2 IEEE 802.15.4 标准的媒体接入控制层(MAC)20-23
  • 2.4 ZigBee 协议23-25
  • 2.4.1 ZigBee 协议网络层(NWK)24-25
  • 2.4.2 ZigBee 协议应用层(APL)25
  • 2.5 本章小结25-28
  • 第3章 基于节点特性的LR-WPAN 网络能量优化路由算法28-50
  • 3.1 引言28
  • 3.2 LR-WPAN 网络层相关路由算法28-39
  • 3.2.1 AODV 路由算法28-34
  • 3.2.2 AODVjr 路由算法34-35
  • 3.2.3 Cluster-Tree(等级树路由)35-39
  • 3.2.4 ZigBee 路由算法的相关研究39
  • 3.3 基于节点特性的LR-WPAN 网络能量优化路由算法(F-ZBR)39-45
  • 3.3.1 ZigBee 路由协议分析39-40
  • 3.3.2 冗余RREQ 分组的处理40-41
  • 3.3.3 最小路由能量的设定41-42
  • 3.3.4 RREQ 中加入能量标志位42-43
  • 3.3.5 F-ZBR 路由算法执行步骤43-45
  • 3.4 仿真分析45-48
  • 3.4.1 仿真环境45-46
  • 3.4.2 结果分析46-48
  • 3.5 本章小结48-50
  • 第4章 基于分簇的ZigBee mesh 网络路由算法50-64
  • 4.1 引言50
  • 4.2 ZigBee 网络中基于分簇的路由算法50-55
  • 4.2.1 分簇路由算法的基本思想50-51
  • 4.2.2 ME-AODV 算法中的分簇方法51-55
  • 4.3 基于分簇的路由算法55-58
  • 4.3.1 分簇的描述55-57
  • 4.3.2 ZCLR 算法57-58
  • 4.4 仿真分析58-62
  • 4.4.1 仿真环境58-59
  • 4.4.2 结果分析59-62
  • 4.5 本章小结62-64
  • 第5章 全文总结与展望64-66
  • 5.1 全文总结64-65
  • 5.2 下一步工作展望65-66
  • 参考文献66-71
  • 作者简介71
  • 攻读硕士学位期间的科研成果71-72
  • 致谢72-73


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