（计算机科学与技术专业论文）基于能量优化的zigbee网络路由算法仿真研究.pdf

f ，。匆 令 寥 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：墨薹查：导师( 签名) ： f 寺秒 否刁1 i l 协 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 z i g b e e 是一种基于开放性的，拥有国际标准的低成本、低功耗、低数据速 率、低复杂度、高可靠性的新型短距离无线通信技术，在自动化工业、自动化 家居以及无线传感器等领域都具有十分广阔的应用前景，已经成为当前研究的 一个热点。随着z i g b e e 技术的不断发展与完善，它将为现代信息社会的工作带 来一场新的革命。 由于z i g b e e 网络使用的是电池供电，所以网络的寿命很大程度上依赖于电 池的有效利用；同时电池的能量是有限的，也就只能通过其他方式来延长网络 的寿命。也就是通过路由算法来节省网络的能量，通过有效利用节点的能量达 到延长网络的寿命。目前针对z i g b e e 网络的能量有效算法已经成为网络研究的 一个重要课题。 基于能量优化的z i g b e e 路由算法，结合了a o d v j r 路由算法和c l u s t e r - t r e e 路由算法的优点。a o d v j r 路由算法有查询路由的功能，可以通过邻居节点来转 发数据，还可以根据目的地址进行路由。c l u s t e r - t r e e 路由算法是不需要考虑路 由，直接将数据转发给父节点或者子节点，因此它所需要消耗的能量较少。在 网络运行的过程中，设置一个能量阀值，用来区分两种算法。如果节点的最小 剩余能量大于能量阀值，则说明该节点的能量充足，使用a o d v j r 算法来充分 发挥路由功能；如果节点的最小剩余能量小于能量阀值，则表示该节点的能量 不足，使用c l u s t e r - t r e e 算法来减轻能量的消耗，最终达到整个网络的能量负载 均衡，从而延长整个网络运行的时间。 本文首先介绍了z i g b e e 网络的特点及基本概念，然后对目前z i g b e e 网络的 c l u s t e r t r e e 路由算法和a o d v i r 路由算法进行了详细阐述，并分别分析了这两 种路由算法存在的不足。在此基础上，本文从节约网络能量和延长网络生命周 期的角度，针对两种不同的路由算法提出了改进的基于能量优化的z i g b e e 网络 路由算法。 同时，本文使用n s 2 仿真器对a o d v j r 算法、c l u s t e r - t r e e 算法以及改进的 路由算法进行仿真，并对实验结果进行详细的研究和分析，通过实验结果的分 析，证明了改进的算法能有效地节省网络的总体能量消耗，实现负载均衡，最 大化网络的生存时间。 关键词：z i g b e e 网络；c l u s t e r - t r e e ；a o d v j r ；能量优化；n s 2 仿真 t p r 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t z i g b e ei s a l lo p e ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dw h i c hh a sl o wc o s t , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , l o wd a t ar a t e ，l o wc o m p l e x i t y , a n dh i 曲r e l i a b i l i t y o fs h o r t r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i na u t o m a t i o ni n d u s t r y , f a m i l ya u t o m a t i o na n d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n do t h e ra p p l i c a t i o na r e a s ，z i g b e eh a sb e c o m eah o ts p o t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fz i g b e e ，i tw i l lb e c o m ean e wr e v o l u t i o nf o rt h e m o d e mi n f o r m a t i o ns o c i e t y z i g b e en e t w o r k su s eb a t t e r i e sf o rp o w e rs u p p l ys y s t e m ，s ot h en e t w o r kl i f e c y c l e d e p e n d so nt h ee f f e c t i v eu s eo fb a t t e r y b e c a u s et h ee n e r g yo fb a t t e r yi sl i m i t e d ，s o w em u s tf i n do t h e rw a y st op r o l o n gt h el i f ee x p e c t a n c yo fn e t w o r k d e v e l o p i n gb e t t e r a l g o r i t h mt os a v en e t w o r ke n e r g y , t h ee f f e c t i v eu s eo f n o d ee n e r g yc a ne x t e n dt h el i f e o ft h en e t w o r k t h ee f f i c i e n tu s eo fe n e r g ya l g o r i t h mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t s u b j e c to fz i g b e en e t w o r k t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e sz i g b e en e t w o r ka n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f c o n c e p t s ，t h e n i n t r o d u c e st h e e x p a t i a t e do fc l u s t e r - t r e er o u t i n ga l g o r i t h ma n d a o d v j rr o u t i n ga l g o r i t h m s ，a n a l y z e s t h e s et w or o u t i n ga l g o r i t h m s t h i sp a p e r a n a l y z e st h en e t w o r ke n e r g ya n dp r o l o n g st h en e t w o r kl i f ec y c l ef r o mt w oa s p e c t s b a s eo nt w od i f f e r e n tr o u t i n ga l g o r i t h m sp r o p o s e se n e r g yo p t i m i z a t i o n b a s eo fe n e r g yo p t i m i z a t i o n ，z i g b e er o u t i n ga l g o r i t h m sc o m b i n et h ea o d v j r r o u t i n ga l g o r i t h m sa n dc l u s t e r - t r e er o u t i n ga l g o r i t h m s a o d v j rr o u t i n ga l g o r i t h m s c a ni n q u i r et h er o u t i n g ，t r a n s m i td a t ab yn e i g h b o rn o d e ，a n dc a nr o u t ea c c o r d i n gt o t h ed e s t i n a t i o na d d r e s s c l u s t e r - t r e er o u t i n ga l g o r i t h md o e sn o tc o n s i d e rr o u t i n g ， d i r e c t l yt r a n s m i t st h ed a t a t op a r e n tn o d eo rc h i l dn o d e ，s ot h a ti tn e e d sl e s se n e r g y i n n e t w o r ko p e r a t i o np r o c e s s ，s e t t i n ga ne n e r g yt h r e s h o l dp r i m a r i l yi su s e dt od i s t i n g u i s h t w oa l g o r i t h m s i ft h en o d ee n e r g ye x c e e d st h em i n i m u ms u r p l u se n e r g yt h r e s h o l d ，i t m e a n st h en o d em u s tu s ea o d v j ra l g o r i t h m ；i ft h en o d ep o w e ri sl o w e rt h a nt h e i i 、r ， 武汉理工大学硕士学位论文 m i n i m u ms u r p l u se n e r g y , i tm e a n st h et h r e s h o l do ft h en o d ee n e r g ys h o r t a g e ，u s e c l u s t e r - t r e ea l g o r i t h m f i n a l l yt h en e t w o r k se n e r g yc a nr e a c hab a l a n c e ，e x t e n d i n g t h ew h o l en e t w o r ko p e r a t i o nt i m e m e a n w h i l e ，t h i sp a p e r u s e sn s 2s i m u l a t o rf o ra o d v j ra l g o r i t h ma n d c l u s t e r - t r e ea l g o r i t h m ，i m p r o v e dr o u t i n ga l g o r i t h m s ，a n dd o e sm o r ed e t a i lr e s e a r c h f o rt h er e s u l t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l y s a v en e t w o r k se n e r g yc o n s u m p t i o n 1 ， k e yw 。r d s ：z i g b e e ；c l u s t e r - t r e e ；a o d v j r ；e n e 唧o p t i m i 硪i o n ；n s 2 ， “ i i i p j 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景：一l 1 2 研究意义2 1 3 国内外研究现状3 1 4z i g b e e 技术简介5 1 4 1z i g b e e 技术优势5 1 4 2 与其他无线通信技术的性能比较6 1 4 3z i g b e e 技术的发展应用前景。7 1 5 本文组织结构8 第2 章z i g b e e 技术协议栈9 2 1 z i g b e e 协议栈9 2 2 z i g b e e 物理层11 2 3 z i g b e em a c 层12 2 4 z i g b e e 网络层1 4 2 5 z i g b e e 网络组网15 2 5 1 z i g b e e 网络节点配置1 6 2 5 2 z i g b e e 网络拓扑结构1 7 2 5 3 网络地址的分配18 第3 章z i g b e e 网络路由算法研究与分析2 1 3 1 c l u s t e r - t r e e 路由算法2 1 3 1 1c l u s t e r - t r e e 算法流程2l 3 1 2c l u s t e r - t r e e 算法路由维护2 2 3 1 3c l u s t e r - t r e e 算法优缺点2 2 3 2a o d v 路由算法2 3 3 2 1a o d v 算法原理2 3 3 2 2a o d v 算法路由维护2 4 3 2 3a o d v 算法缺陷。2 4 3 3 改进a o d v 的a o d v j r 算法2 5 i v - ， 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 1 a o d v j r 路由发现过程2 5 3 3 2 a o d v j r 路由维护过程2 6 3 3 3 a o d v j r 本地路由修复过程2 7 3 4 结合a o d v j r 和z i g b e e 改进的路由算法2 7 3 5改进算法的路由维护2 7 3 6小结。2 8 第4 章基于能量优化的z i g b e e 路由算法仿真研究2 9 4 1 提出问题2 9 4 2设计目标2 9 4 3改进算法理论准备3 0 4 3 1 降低z i g b e e 网络能量消耗的策略3 1 4 3 2 能量有效路由量度3 1 4 3 3 最小剩余能量和能量阀值定义3 2 4 3 4 路由算法性能比较仿真3 4 4 4改进的路由算法详细设计3 5 4 4 1 各节点的数据包处理流程3 5 4 4 2 能量有效路由算法3 7 第5 章仿真实验。4 0 5 1 仿真工具n s 2 简介。4 0 5 1 1n s 2 基本简介。4 0 5 1 2n s 2 仿真原理4 l 5 1 3n s 2 的使用方法。4 l 5 1 4n s 2 特点。4 2 5 2 仿真方案4 2 5 3 本章小结5 0 第6 章总结与展望5 1 6 1 总结一5l 6 2展望51 参考文献5 3 致谢5 6 附录攻读期间发表的论文和参加的项目5 7 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 当今社会最有活力的技术就是信息技术，也是发展最高最快的技术。近年 来，无线通信的快速渗透以及发展，应用到各个领域。特别是便携式的个人无 线通信设备，这种对于设备要求短距离的无线连接，使得短距离无线通信得到 了快速的发展。当今支持比较广泛的短距离无线通信的技术有红外技术、超宽 带技术、家电无线射频技术、蓝牙技术以及最新的z i g b e e 技术等【1 j 【2 j 。z i g b e e 技术相比其他几种通信技术而言，它的主要应用是低速率的无线设备以及无线 传感器，它的产生能够满足那些低成本的小型化设备的连接需求，从而能够在 农业、工业等各个领域得到广泛的应用。z i g b e e 的大量应用同时推动着z i g b e e 技术的不断完善和改进，将来会成为无线技术的一颗新星。 近年来，z i g b e e 技术是一种全新的无线通信标准。z i g b e e 的真正来源是蜜 蜂，当蜜蜂在采花粉的时候，通过一种称之为z i g z g a 的舞蹈来通知同伴自己的 位置，从而达到了信息的交换，此种方式是一种方便快捷的的“无线”通信。 由于对z i g b e e 研究的时间较短，所以制定的标准主要由z i g b e e 联盟制定硬件标 准和i e e e 8 0 2 1 5 4 小组制定软件标准，同时在2 0 0 0 年1 2 月成立了8 0 2 1 5 4 小 组，专门针对z i g b e e 的物理层和介质存储控制层制定相关规范，并同时在2 0 0 3 年5 月通过了该标准。z i g b e e 联盟是由i n v e n s y s 、m o t o r o l a 、m i t s u b i s h i 、p h i l i p s 、 h o n e y w e l l 一起在2 0 0 2 年1 0 月成立，同时z i g b e e 的1 0 版本规范在2 0 0 4 年底 公布。虽然z i g b e e 技术在各种大规模的生产中并未得到应用，但是它的上升是 毋庸置疑的。在2 0 0 5 年4 月z i g b e e 联盟已经对多家公司生产的产品进行了兼容 性测试和验证。z i g b e e 联盟的成员目前呈现不断的壮大趋势，如今已经有2 0 0 多个，z i g b e e 联盟同时在2 0 0 6 年1 1 月公布了1 1 规范版本。 无线通信网络技术的主要是在传输数据速率和传输距离方面有很大的优势 和发展空间，但是在如工业检测、农业检测、商业和环境检测等应用领域，无 线传感器网络得到了广泛的应用。因为它是一种传输数据量小、传输速率较低， 同时也是一种需要实时通信的设备，它们的供电设备都是电池。这种低成本、 功耗小的特点很好地使z i g b e e 技术得到广泛应用。有些时候传统的无线通信技 术偶尔能满足某些需求，但是它们的设备大体积、高功耗、高成本等各种问题 武汉理工大学硕七学位论文 的出现，使得人们更加倾向使用z i g b e e 技术新技术来代替传统的无线技术。英 国的m l n v e n s y s 、美国的摩托罗拉、日本的三菱电气以及荷兰飞利浦公司在2 0 0 2 年一起成立了z i g b e e 技术联盟，针对z i g b e e 的技术研发共同完成。 目前z i g b e e 技术已经成为大家研究的重点，它是在近距离无线通信技术上 产生的，相信在不久的未来，z i g b e e 技术的研究会成为一种新的浪潮，它的产 品会给大家带来更多的方便和快捷，它的技术发展促动着把互联网和计算机融 入到大家的日常生活中。 z i g b e e 技术的飞跃发展和完善，它必定将走在数字化技术发展的前沿，它 明显的功耗、成本、速率低的优势使得它的应用必定广泛。预计在未来的几年 内，全球每个家庭的z i g b e e 产品会超过6 0 ，最终的期望目标是达到1 0 0 个p j ， 相信在不久的以后，将会有更多的高新技术的z i g b e e 产品加入我们的生活，为 大家的工作和日常生活带来方便。 1 2 研究意义 如今作为研究热点的z i g b e e 短距离无线通信技术被各种企业和科研机构研 究，前景十分的广阔，不久的将来肯定会有很多的相关的无线传感器的产品， 给生活带来便利。但是目前通过z i g b e e 联盟的研究分析发现，国内的z i g b e e 研究技术还不是很完善，比较缺少体系结构的研究，因此还没有出现有大影响 力的产品技术。 z i g b e e 网络虽然具有的低成本、低功耗、低速率的特性，但是使用电池供 电的特性，意味着整个网络的能量，计算能力以及带宽都会受到限制。因此在 设计z i g b e e 网络的同时，能量的因素也必须作为重点来考虑。在物理层和介质 链路层考虑的主要对系统低功耗的设计，在网络层的设计是数据转发的可靠性 以及能量优化的设计，这样就可以把整个网络的生命周期延长。 z i g b e e 网络的供电系统是电池，因此z i g b e e 网络节点的生存周期很依赖电 池。在z i g b e e 最初研发的阶段，在路由层面来看，考虑的重点是传统的控制开 销、平均端到端的延时以及分组递交率，但是它缺少了对能量的考虑，能量的 优化。如果在一个网络中，节点的能量都得不到保证，整个网络就无法进行正 常的通信，更加无法想像节点数据可靠转发，而且当某些节点能量耗尽，成为 死亡节点的时候，还会导致网络的分割，对网络的整体性能造成毁灭性的打击。 所以，能量优化在z i g b e e 网络中的重要地位是必须得到重视的。 可以想像下在z i g b e e 网络中添加相关的能量优化机制，给整个网络的能量 2 武汉理工大学硕士学位论文 带来一个最大化的节约，那么整个网络的生命周期将会得到明显的增加。所以 研究z i g b e e 网络的能量优化是一个很有意义的课题。本文就是专门针对z i g b e e 网络的能量优化来研究的。 1 3 国内外研究现状 在国外，z i g b e e 的研究要比国内早很多，而且研究的成果也相对较丰富。 在2 0 0 2 年8 月成立的z i g b e e 联盟，多家公司共同成立了z i g b e e 联盟，为了推 动z i g b e e 网络技术的发展，如下公司都提供了各自的技术c h a d d r c o n 、e m b e r 、 f r e e s c a l e 、h o n e y w l l 、m o t o r a l a 、p h i l a d d r s 、s a n s u n g 等。不仅仅如此，z i g b e e 技术的研发还同时引入了多大百家的i c 、家电、通信行业等产品的联盟，目前 的z i g b e e 联盟的会员已经超过了3 0 0 多家，而且还有更加准备加入的厂家和产 品【4 1 。 由于z i g b e e 联盟是各大企业组成的不以盈利为目的的歇会，全心全意用于 z i g b e e 无线技术的发展，使得z i g b e e 技术能够在各行各业中得到充分的发挥， 如家电、能源、环境、工业、农业等无线网络的连接、传感器的使用以及相关 标准的制定。目前的z i g b e e 技术发展最为壮大的地方是美洲，有l 2 联盟会员 是来自于那里，而太平洋和亚洲以及非洲和欧洲地区都只是占据了1 3 。目前的 联盟会员不仅多而且分别来自于不同的行业，其中有软件、芯片、系统、终端 等各种服务提供商以及各种产业都在参与，而且正在壮大中。而在国内，目前 还不是如此的火爆，参加的企业以及行业都普遍比较少。 目前z i g b e e 的市场还是被国外厂商所占据着，z i g b e e 无线通信技术的产品 在国内的自主研究还是普遍较少，国内的研究更多地停留在学术性的研究。如 今，z i g b e e 无线传感器技术的大发展趋势，已经开始有很多的研究机构跟高校 开始了产品化的研究，如无线传感器组网、无线应用技术以及短距离无线传感 器网络，这些技术的相关产品都可以是跟我们生活中相关的，比如无线抄表、 智能家居、无线物流管理等各个方面。国内的大学跟研究院已经开始利用国外 开发商提供的技术平台和芯片建立属于自己的z i g b e e 网络。 统观z i g b e e 的规范研究来看，已经有大量的研究开始了，并且取得了相应 的成果。z i g b e e 无线网络的时间同步问题、广播安全问题等，而且在发展的过 程中，各种问题都已经得到了很好的改进，也开始提供了更多的、更加强大的 功能。虽然z i g b e e 的目前发展趋势很好，但是同样也存在这一些问题，主要有 【5 】： 武汉理工大学硕士学位论文 1 无线网络的地址 z i g b e e 无线网络中节点所分配的地址是可以变动的，在某些特殊情况是甚至 是可以重复的。这种情况使得网络的寻址机制变得不可靠了，为了确保寻址机 制的可靠，数据发送到正确的节点中，z i g b e e 联盟应该在寻址方面进行更深一 步的改进，以提供更加可靠的寻址机制。目前一些模块提供商如m a x s t r e a m 也 开始研发基于6 4 位唯一性寻址的解决方案，为了确保数据传输的可靠性。 2 工作信道的固定 z i g b e e 无线传感器技术采用的直序扩频( d s s s ) 调制技术，该技术是在 8 0 2 1 5 4m a c p h y 的规范中提出的。该信道是通过扫描能量来选择具有高能量 的信道作为工作信道。但是存在一个问题，如果能量扫描确定后，选择的工作 信道质量降低后，z i g b e e 网络不能够重置信道，选择新的高能量信道。目前有 许多节点如8 0 2 1 1 网络、蜂窝电话和微波都是使用的2 4 g h z 频段，可能会给 z i g b e e 网络带来很大的干扰问题。这是终端商面临的一个很大的困惑，z i g b e e 联盟也在加紧对于此问题的解决，虽然z i g b e e 联盟的新的规范不断更新，在解 决旧的问题的同时也可能会带来新的问题。 3 限制的容量 z i g b e e 网络在一些要求可靠的数据传输、复杂的网状组网结构以及高安全等 级等应用过程中，z i g b e e 的原始使用的6 4 kf l a s h 不能够很好地满足上述应用的 要求，这个空间对于z i g b e e 的8 0 2 1 5 4 m a c 、p h y 、网络层都是比较有限的。 目前z i g b e e 技术的快速发展应用，要求有更高闪存的微型控制器的平台。 在安全看来，z i g b e e 无线通信技术网络使用的是共享的无线信道，所以肯定 会存在一定的安全隐患，这种无线信道的共享使用很容易受到外界来的攻击而 且难于进行防范和跟踪。 在接入控制看来，也存在很多问题，典型的有终端的暴露、多网共享存在、 接入方式的公平等问题，虽然或多或少提供了一些技术和方法，但是还是没有 得到很好的解决。 在能量控制看来，无线传感器网络是没有固定的基础设施的支持，而且供电 系统也只是通过电池来供电，所以节点很容易因为能量消耗过多而死亡。因此， 网络的能量消耗、网络的能量利用率、网络分割的避免以及节点的过早能量耗 尽是研究的重点。目前针对网络能量控制的主要方式有选择性调节节点的输出 功率、节点的休眠状态以及采用一些节能的路由机制【6 j 。 通过统观z i g b e e 技术的研究状况，z i g b e e 的应用规范还在不断的扩展和完 整中，很多的高校、厂商、研究机构都对z i g b e e 的应用技术发展产生了很大的 4 武汉理工大学硕士学位论文 研究兴趣，也进行了很多的研究。目前研究的重点主要还是在两个方面：z i g b e e 无线技术的应用和产品、z i g b e e 技术的协议规范和规范的完善。 1 z i g b e e 产品和芯片的设计：已经有很多的z i g b e e 研究厂商开始推出了 全套的产品以及解决方案。j e n n i e 公司开发的j n 5 1 2 1 5 1 3 x ，h e l i c o m m 公司研 发的a d d rl i n k1 2 0 0z i g b e e 开发套件和f r e e s c a l e 公司开创的第三代p a d d r 晶 片m c l 3 2 2 x 等。 2 z i g b e e 技术目前的应用研究：现今在国内和国外都存在着大批的厂商和 研究机构，他们都提出了很多的应用，如：智能公交、智能家居、传感器网络 的应用以及嵌入式的应用。同时j e n n i e 公司在环境监控和路灯控制以及生产线 的数据收集中都结合了z i g b e e 技术的r f i d 应用。 3 z i g b e e 技术的扩展研究：目前的z i g b e e 技术和其他应用技术的结合也 是现在研究的新方向。如l i n u x d s p 和z i g b e e 一起构成的无线通信系统， w e b g p r s 和z i g b e e 结合的无线网管系统等。 4 z i g b e e 网络的性能：目前研究z i g b e e 网络的性能也是重点，在z i g b e e 网络的8 0 2 1 5 4 标准【7 】中，竞争时期的能量消耗和吞吐量，在不同的通信参数下， 整个z i g b e e 网络的稳定性和通信状况。在低负载的情况下，z i g b e e 网络为了增 加网络的生命周期，调节节点的能量消耗。 5 z i g b e e 网络路由算法：z i g b e e 网络的路由算法基础是a dh o c 按需距离 矢量( a o d v 算法) 【8 】，所以z i g b e e 网络在建立网状网络和数据的传输方式上跟 a dh o c 比较类似。从传统的a o d v 路算法的路由发现和开销来看，节点密集的 网络会直接影响数据包的延时和端到端延时，会对网络的性能有一些干扰，所 以提高路由算法的效率是很有必要的，现今国内很多期刊和论文都已经有针对 a o d v 路由算法提出了很好的改进。 1 4z i g b e e 技术简介 z i g b e e 无线技术特点是距离近、成本低、功耗低、数据的传输速率低。在物 理层和介质接入层都是采用的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层是z i g b e e 联盟来 制定的，应用层则是由用户自己根据需求开发的，为用户提供了方便、灵活、 快捷的组网方式。 1 4 1zig b e e 技术优势 i e e e 8 0 2 1 5 4 的技术优势： 武汉理工大学硕士学位论文 1 传输数据的可靠性：z i g b e e 技术为了需要在固定的带宽通信业务专门预 留了时隙，当数据在发送的时候避免了冲突和竞争，同时在m a c 层采用了 c s m a c a 机制。在m a c 层数据的传输都是需要每个发送的数据包要等到接收 方的确认后才能继续发送信息。 2 低功耗：目前的z i g b e e 技术的网络节点都是采用了多种的节点模式，经 过实践，可以确保两节电池能够支撑节点长达半年到两年的时间。 3 低成本：z i g b e e 技术的数据在传输的时候，速率较低，相对的协议也比 较简单，很大程度上降低了成本开销。 4 大容量网络：目前的每个z i g b e e 网络可支持的最大节点数是2 5 5 个，通 过网络的协调器来相互连接，所以整个网络的拓扑是个很可观的数量。同时一 个区域最多能支持的z i g b e e 网络有1 0 0 多个，理论上是可以容纳6 5 5 3 5 个节点 的。 5 安全：z i g b e e 网络采用的是a e s 1 2 8 加密算法，因此为z i g b e e 网络提 供了完整的数据检查和鉴权功能。 6 有效范围小：z i g b e e 网络覆盖的有效范围是1 0 7 5 米，具体的根据各种 不用的应用模式以及实际发射的功率而定，基本上是能够对普通的家庭或者办 公环境的覆盖。 7 z i g b e e 网络兼容性：z i g b e e 网络是通过网络协调器来自动建议网络，采 用了c s m a c a 的方式进行了信道的接入。为了可靠传递还提供了全握手协议。 z i g b e e 网络技术已经与现今的网络控制标准无缝集成了。 1 4 2 与其他无线通信技术的性能比较 与其他通信技术相比，z i g b e e 具有的优势主要体现在功耗小和网络容量大， 几种无线通信技术性能比较见表1 1 ： 表1 1 几种无线通信技术性能比较 b l u et o o t h w i f i i r d a z i g b e e ( 8 0 2 1 5 1 )( 8 0 2 1 1 b ) ( 8 0 2 1 5 4 ) 系统歼销较大大小小 电池寿命较短短长最长 网络节点 7 3 0 2 2 5 5 6 5 5 3 5 通信距离 1 0 m1 0 0 m定向1 m2 0 1 0 0 m 传输速率1 m b p s1 1 m b p s1 6 m b p s 2 0 4 0 2 5 0 传输介质2 4 g h z 射频2 4 g h z 射频 9 8 0 n m 红外2 4 g h z 射频 下图展示了z i g b e e 技术与其他无线通信技术的误码率信噪比曲线，可以看 6 武汉理工大学硕士学位论文 出在低信噪比的环境下，z i g b e e 具有较强的抗干扰性，如图l - l 。 l 瞳埘 柏咖l 蜘 i a 蜘， 参 埔i 弗 垂襄。一t 奎誊霉一l ，_ 譬夸l 二二1 l - 一 ；忑1 1 _ “、 愁n t ；- - 7皇。匕 l 。、 、气- i j t 吣 9 氧 。抟l 。j 霸 ，f f 鳘爹盖专l 一- 4 , - 一l i l a l m 姊由 h； ，n ”一戤l i b p 川坤帕 _ 卜姐，l i ba m 呻自 一2 1 t b o w n , 哆 - - - i l - - 鼬l ，1 戤l ”口曩嘶磅 f j。强j | 一一j 鄂 摹r 姗 图1 1z i g b e e 与其他几种无线通信技术抗干扰性能比较 1 4 3zlg b e e 技术的发展应用前景 从2 0 0 2 年的z i g b e e 联盟建立以来，很多的公司、厂商和研究机构都比较看 好z i g b e e 技术的应用。i e e e 在2 0 0 3 年1 1 月正式公开发布了z i g b e e 技术的物 理层和m a c 的相关协议标志。并且z i g b e e 联盟在2 0 0 4 年1 2 月正式宣布了 z i g b e e 正式规格，标志着z i g b e e 无线网络技术的崛起。 z i g b e e 技术的发展是当年发展最快的，并且具有前景最为广阔的最新技术之 一，它的发展速率是令人想不到的。 通过i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，z i g b e e 网络通过网络协调器在数千个微小的传感 器之间相互协调，通过无线电波以接力的方式将数据从一个节点传送到另一个 节点，因为传感器在传输中需要的能量是很少的，所以在传输过程中的通信效 率是很高的。与w i f i 和蓝牙相比，z i g b e e 网络的低速率传输、低功耗、低复 杂度、短延时、大网络容量以及灵活的工作频段等特点。它的这些技术特点决 定了z i g b e e 技术是无线传感器网络发展最有潜力的选择，应用前景广阔。 z i g b e e 技术在无线短距离通信的应用中有着很广阔的应用，如果符合如下条 件之一的就可以考虑采用z i g b e e 无线技术来作为传输1 9 j ： 1 要求数据采集和多网点的监控 7 脚 蚋 邮 嘶 一 帅 唧 一 鼍譬名e蠡 武汉理工大学硕士学位论文 2 数据传输量小，节点的要求成本低 3 数据在传输过程中可靠性高、安全性高 4 不方便使用较大的供电系统，体积小的节点网络 5 使用电池供电 6 地址比较负责，网点的监控多，而且需要大的覆盖面积 7 覆盖盲区的移动网络 8 低的数据量传输的遥测遥控系统 9 效果较差的g p s ，或者局部区域移动定位成本高的应用 1 5 本文组织结构 第一章为绪论，主要包括论文研究背景、研究目的和意义以及相关的工作。 第二章为z i g b e e 技术协议栈的介绍，主要针对z i g b e e 协议栈体系结构以及 各层的功能，各层之间的通信及拓扑结构。本文主要介绍了物理层、数据链路 层、网络层的功能和相关工作模式，以及z i g b e e 的组网。 第三章为z i g b e e 网络路由算法的研究。主要讨论了a o d v j r 算法和 c l u s t e r - t r e e 算法。首先分析了两种算法的原理，提出各自的优缺点，针对a o d v 算法提出了改进的a o d v j r 算法。本文主要结合a o d v j r 算法和c l u s t e r - t r e e 算 法的优点来实现一个针对能量优化的算法，旨在延长网络的寿命。 第四章为基于能量优化的z i g b e e 算法研究。通过结合了a o d v j r 算法和 c l u s t e r - t r e e 算法的优点，从能量优化的方面来考虑整个网络的性能以及网络的 寿命。 第五章为仿真实验。本文通过n s 2 模拟器对改进的算法和未改进的算法进 行仿真，对结果进行比较，得出改进的算法在不影响性能的情况下延长网络寿 命。 第六章为总结和展望。对全文进行了总结，并对以后的研究工作做出了展 望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章z i g b e e 技术协议栈 z i g b e e 协议栈由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层和应用层五部 分组成。其中i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了物理层和数据链路层，z i g b e e 联盟定义了网 络层和应用汇聚层，应用层是由用户定义“10 1 。 2 1 z i g b e e 协议栈 z i g b e e 技术主要是由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组和z i g b e e 联盟分别制定的具有统 一性的标准。物理层和媒体访问控制层的标准是由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组负责制 定的，网络层、应用层和安全服务提供者等标准是由z i g b e e 联盟制定的。 z i g b e e 协议栈的组成有：物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层及应用 层规范，每一个层面都会实现自己的一部分功能，而且还同时为上层提供服务。 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层和m a c 层是由i e e e 8 0 2 1 5 4 制定的，而网络层和应用汇聚 层规范是由z i g b e e 联盟制定的，应用层规范由用户制定的。如图2 1 ： 图2 - 1z i g b e e 协议架构【l l 】 9 武汉理工大学硕士学位论文 p h y 负责的是数据的发送和接受以及数据的调制和解调，p h y 层还可以直 接操作物理传输介质，也向上层m a c 提供服务。 m a c 负责的是节点与邻居节点的的通信，保证链路在通信过程中的可靠性， 提供了专门的避免冲突的高效通信机制，还负责m a c 帧结构的组装和分解。 n w k 负责的是设备之间的连接和断开，在连接和断开过程中所采用的机制， 设备之间的路由发现和维护、一跳范围内的邻居节点的发