（通信与信息系统专业论文）低速无线个域网路由协议的仿真与性能分析.pdf

中文摘要 摘要：低速无线个域网( l r w p a n l o wr a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是在低速率、低功耗、低成本的设备之间建立无线通信、实现各种信息交互的一 种区域性联网技术，在智能家居、远程医疗和物流控制等领域具有广阔的应用前 景。将i p v 6 技术应用在l r w p a n 中，不仅可以为每一个设备提供一个i p 地址， 有利于l r w p a n 与i n t e m e t 的互联互通，而且对低速无线个域网设备进行端对端 远程控制更加便利，实现了“人与物之间以及“物与物一之间的信息传递，从 而最大限度的扩展人们获取信息的能力。 低速无线个域网采用逐步完善的i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层和m a c ( m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 层标准，以保证l r - w p a n 设备之间的互联和数据传输，并且i e t f 成立 了6 1 0 w p a n 工作组研究低速无线个域网如何支持i p v 6 通信的问题，然而i p v 6 l r - w p a n 的路由协议标准仍处于研究和讨论阶段，提出的个人草案并不完善，如 何在同一平台下实现对各种l r w p a n 路由协议性能分析和比较是进一步完善 i p v 6l r - w p a n 的路由协议的关键。 论文在深入分析和研究几种l r w p a n 路由协议的基础上，首先详细介绍了 我们自主研发的微型传感路由协议( m s r p , m i c r os e n s o rr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 的体系结 构、工作流程以及特点。m s r p 是基于按需驱动的思想，有效地弥补了a o d v ( a d h o co n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 和d y m o ( d y n a m i cm a n e to n - d e m a n d ) 协 议采用复杂的路由机制和h e l l o 报文维护链路状态等不足，在i p v 6 低速无线个域 网的实际环境中更加符合低开销、快速收敛等路由需求。其次在n s 2 ( n e t w o r k s i m u l a t o r - 2 ) 络仿真平台实现m s r p 协议，并建立仿真模型，设定了两种场景和 两个通信模型对m s r p 进行仿真实验；并完成对仿真数据的分析，将仿真结果与 在相同场景和通信模型下的a o d v 和d y m o 协议进行了性能对比。随后，提出 并实现了对目前m s r p 路由协议的改进方法。最后，对论文所做工作进行总结， 并对下一步工作提出展望。 关键词：l r w p a n ，m s r p , n s - 2 ，a o d v , d y m o 分类号：t n 9 1 5 0 4 a bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n t so ft e c h n o l o g y , c o n c e p to fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nh a s b e c o m eu n d e rt h es p o t l i g h ti nr e c e n ty e a r s t of u l f i l lt h ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n n e e d s ， i nm a r c h19 9 8i e e e 8 0 2 15t a s kg r o u pw a ss e t u pt or e s e a r c ho nw i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k s ( w p a n ) s t a n d a r d i z a t i o n i n2 0 0 3i e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r dw a sa n n o u n c e d w h i c hs t a n d a r d i z e dp h y s i c a la n dm e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e r sf o rl r - w p a n ( l o wr a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) h o w e v e ri e e e 8 0 2 1 5 4d i dn o tp r o v i d eu p p e rl a y e r p r o t o c o ls t a n d a r df o rl r w p a n c o m m e r c i a la n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n sd e v e l o p e d t h e i ro w ns t a n d a r d sf o ru p p e rl a y e r s ，a n d6 l o w p a n ( i p v 6l o wp o w e rw i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ) i so n eo ft h em o s tp r o m i s i n go ft h e s ep r o p o s e ds t a n d a r d s a l t h o u g h6 l o w p a nw o r kg r o u ph a sa l r e a d yc o n t r i b u t e dt w or f c s ，t h e r ei ss t i l ln o s t a n d a r df o rar o u t i n gp r o t o c o lt ob eu s e dw i t ht h e6 l o w p a na r c h i t e c t u r e s i m u l a t i o n a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i si so n eo ft h ee s s e n t i a lp a r t si nt h er o u t i n gp r o t o c o l d e v e l o p m e n tc y c l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sl r - w p a nr o u t i n gp r o t o c o l sw h i c ho p e r a t e so nt o po ft h e i e e e s 0 2 15 4s t a n d a r d i tt h e nf o c u s e so no u ro w nm s r p ( m i c r os e n s o rr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) t h i sr o u t i n gp r o t o c o li sb a s e do nt h ea o d v ( a dh o co n - d e m a n dd i s t a n c e v e c t 0 0r o u t i n gp r o t o c o la n dh a sm u c hs i m i l a r i t i e sw i t ht h ef w s td r a f to fi e t f 6 l o w p a nl o a d ( 6 l o w p a na dh o cr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) t h i sp a p e rw i l lf i r s td i s c u s s t h ea r c h i t e c t u r eo fm s r pa n dw ew i l lt h e nm o v eo nt od i s c u s sm s r p r o u t i n gp r o t o c o l w o r kf l o wa n dc h a r a c t e r i s t i c s l a t e ri tw i l ld i s c u s sas i m u l a t i o nm o d e lw h i c hi n c l u d e s t w os c e n a r i o sa n dt w oc o m m u n i c a t i o nm o d e l s a f t e ri n t e g r a t i n gm s r pp r o t o c o lt o n s - 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r - 2 ) ，s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e da n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s i s c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nm o d e l t h e nt h er e s u l t sa r ea l s oc o m p a r e dt o a o d va n dd y m o ( d y n a m i cm a n e to n - d e m a n d ) r o u t i n gp r o t o c o l so nt o po f i e e e 8 0 2 1 5 4 a tt h ee n d ，i m p r o v e m e n t st ot h ec u r r e n tp r o t o c o la r ep r o p o s e da n d i m p l e m e n t e d k e y w o r d s ：l r - ，p a n ，m s r p , n s 2 ，a o d v , d y m o c l a s s n o ：t n 9 1 5 0 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：木t 西绣导师签 签字日期：溯年6 月1 2 日签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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o n 含为获得北京交通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b 5 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：枉西硌 签字日期：厕年e 月l 日 6 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 1w o u l dl i k et ot h a n km ys u p e r v i s o rz h a n gh o n g k e ，n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t r e s e a r c hc e n t e r , b e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t y , b e i j i n g ，p e o p l e sr e p u b l i co fc h i n af o r t a k i n gm ea sas t u d e n ts u p p o r t i n gm yr e s e a r c hw o r ka n dg i v i n gm ee n c o u r a g e m e n t d u r i n gm yw o r k h i sk i n dg u i d a n c et os t a r tm yr e s e a r c ha n dr e g u l a rd i s c u s s i o n sh e l p e d m eal o tt oc a r r yo u tm ys t u d i e ss u c c e s s f u l l y m yg r a t i t u d eg o e so u tt om yc o l l e g e s ，e s p e c i a l l yd up e n gf o rh i sw i l l i n g n e s st o h e l pm ea l lt i m ew h i l ec a r r y i n go u tt h er e s e a r c h m ys p e c i a lt h a n k sg ot op h d s t u d e n t s n i uy a n c h a oa n dh u oh o n g w e if o rt h e i ra c a d e m i cg u i d a n c e t h a n k st oa l lm y c o l l e a g u e s a n dt e a c h e r si no u rl a b o r a t o r yf o rt h e i rh e l p ，l a u g h s ，a n dp o s i t i v e p e r s p e c t i v e sa ta l lt i m e s 1w o u l d a l s ol i k et ot a k et h i so c c a s i o nt ot h a n kd r g a od e y u n f o rh i sg u i d a n c ea n dh e l pi nn sr e l a t e di s s u e s c h i n as c h o l a r s h i pc o u n c i la n dc h i n e s eg o v e r n m e n ta l eg r a t e f u l l ya c k n o w l e d g e d f o ra l l o c a t i n gf u n d sf o rs e v e ny e a r st oc o m p l e t em ys t u d i e si nb e i j i n g ，c h i n a m ys i n c e r eg r a t i t u d eg o e st od i r e c t o rl i uy a n q i n ga n dh e rs t a f fa tt h eo f f i c eo f i n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o na n de x c h a n g e ，b e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t yf o rt h e i rg u i d a n c e ， f r i e n d s h i pa n de m o t i o n a ls u p p o r tt oc o m p l e t em ys t u d i e ss u c c e s s f u l l y is i n c e r e l y a p p r e c i a t ea l lo f t h et i m ea n dt r o u b l et h e yt o o kf o rm e i ts u p p o r t e dm et oe a s em o s to f d i f f i c u l t i e s t h e ym a d eu sf e e la th o m e t h e ym a d em ys t a yi nc h i n a , ah a p p y o n e is i n c e r e l ya p p r e c i a t es t a f fo fs r il a n k a ne m b a s s yi nc h i n a t h e i re f f o r tm a d em y s t a yi nc h i n aam o r ep l e a s u r a b l eo n e 1w o u l dl i k et ot h a n kt h e mf o ro r g a n i z i n gv a r i o u s a c t i v i t i e st og i v eu sac h a n c et om e e tt h es r il a n k a nc o m m u n i t y t h e i rh a r dw o r km a k e s u sf e e im o r ec l o s e rt os r il a n k a f i n a l l y , io f f e rm ys i n c e r eg r a t i t u d et om y m o t h e ra n dm ys i s t e rf o rt h e i rl o v ea n d i n s p i r a t i o n 1i n t r o d u c t i o n 1 1g e n e r a li n t r o d u c t i o n w 1 t ht h ei m p r o v e m e n t so ft e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n ga n dc o m p l i c a t i n g i n d i v i d u a lr e q u i r e m e n t s ，p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m eam a j o rf a c t o ri no u r d a i l yl i f e 1 1 1 i sh a sb e e nu n d e rt h es p o tl i g h ti nt h el a s tf e wy e a r sw h i c hm a d ear a p i d b o o s ti nt h ei m p o r t a n c eo fw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( w p a n ) l o w - r a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( l r w p a n ) h a sb e e nu s e de s p e c i a l l ya ss e n s o r n e t w o r k s t h e yh a v et h ea b i l i t y t o s e l f - o r g a n i z ea n dt oc o m m u n i c a t ew i t h o u t i n f r a s t r u c t u r e t h e ya l s oc o m p r i s et h ec a p a b i l i t yt ow o r kf o rl o n gp e r i o do ft i m ew i t h l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dw i t h o u th u m a ni n t e r f e r e n c e l r - w p a na p p l i c a t i o n si n c l u d es m a r th o m e ，s m a r to f f i c ea n dr e m o t em e d i c a l a p p l i c a t i o n s d u et ot h en a t u r eo f t h e s ea p p l i c a t i o n s ，s o m e t i m e st h ed e v i c e sm a yn o tb e p h y s i c a l l ya c c e s s i b l ea f t e ri n i t i a ld e p l o y m e n t h e n c e ，t h ed e v i c e sh a v et o r u nf o r e x t e n d e dp e r i o d so ft i m eo nb a t t e r yp o w e r , r e s u l t i n gi nl o w - p o w e r , e n e r g y - s a v i n g d e s i g n s l r - w p a nh a sb e e na l s oa p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a lm o n i t o r i n g ，o f f i c ea n dh o m e a u t o m a t i o na n dc r o pm o n i t o r i n g i ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h e ya 托m a i n l yu s e df o rt h e e s t a h l i s h m e n to fs e n s o rn e t w o r k sw h i c ha r ct ob eu s e di nt h e0 f n c ea n dh o m e a u t o m a t i o n t h e r eh a v ea l s ob e e nt h ee s t a b l i s h m e n t so fs i m i l a rf a t i g u em o n i t o r i n g s y s t e m s ，p cp e r i p h e r a l s ，g a m ec o n s o l e s ，s e c u r i t ys y s t e m s , l i g h t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m s i nc r o pm o n i t o r i n g ，t h o u s a n d so fl r - w p ! f 蝌d e v i c e sa l ec o n n e c t e da sam e s h f o rc o l l e c t i n gs o i li n f o r m a t i o na n do t h e rm e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o n f a r m e r su s et h e i n f o r m a t i o nt oo b t a i nab e t t e rh a r v e s t 1 2r e l a t e dw 6 r k u pt on o wt h e r ea r es e v e r a lw o r k g r o u p sa n dr e s e a r c h e r sh a v eb e e nc o n d u c t i n g w o r ko nl r w p a nt e c h n o l o g i e s o nm a r c h19 9 8 ，t h ei e e e 8 0 2 15w o r k i n gg r o u pw a sm a i n l ys e tu pd e d i c a t e dt ot h e r e s e a r c ho fw p a nn e t w o r kp h y s i c a ll a y e r ( p h y ) a n dm e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e r ( m a c ) s t a n d a r d i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e si nd a t ar a t e ，p o w e rc o n s u m p t i o n ， a sw e l la st h eq u a l i t yo fs e r v i c er e q u i r e m e n t s ，i e e e 8 0 2 15w o r k i n gg r o u pd e f i n e dt h r e e d i f f e r e n tt y p e so f w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) s t a n d a r d s ，t h e ya r e ； 1 h i g hr a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( h r w p a n ) w i t hat r a n s f e rs p e e d m o r et h a n2 0m b s 2 m e d i u mr a t ew p a n ( m r - w p a w i t hat r a n s f e rr a t eo f1m b sa n d 3 l o wr a t ew p a n ( l r w p a n ) w i t hl o w e rt r a n s m i s s i o ns p e e d s o nj u l y2 0 0 3 ，i e e ew o r k i n gg r o u pf o rt h el r - w p ：f l a u n c h e di e e e 8 0 2 15 4 t e c h n i c a ls t a n d a r d , w h i c hf o c u s e do nl o ws p e e dl o w p o w e rs h o r t - r a n g ew i r e l e s s c o n n e c t i o n s ，w i t ht h eh i g h e s tt r a n s m i s s i o nr a t eo f2 5 0k b p s ，b a t t e r yl i f ew h i c hc a l lb e e x t e n d e df r o ms i xm o n t h st o2y e a r s i ti saw i r e l e s sn e t w o r k i n gt e c h n o l o g yw h i c hi s c o s t - e f f i c i e n t , w i t hl o wc o m p l e x i t yt h a tu s e sl o w p o w e ra n dl o w - d a t a - r a t e h o w e v e r ，t h ei e e ed i dn o tp r o v i d ea nu p p e rl a y e rp r o t o c o ls t a n d a r df o r l r w p a n a l lc o m m e r c i a la n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n ss t a r t e dd e v e l o p i n gt h e i ro w n h i g h e rl a y e rs t a n d a r d so nt o po fi e e e 8 0 2 15 4 ，t w oo f t h ep o p u l a rs t a n d a r d sa r ez i g b e e a n d6 i ，w p a n _ o 1 2 1 z i g b e e z i g b e e i sa l o w p o w e r , l o w t r a n s m i s s i o n r a t e ，s h o r t r a n g e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yb a s e do nt h ei e e e 8 0 2 15 4 i ti sg a i n i n gi n c r e a s i n g a t t e n t i o ni nt h ef i e l do fc o n t r o la u t o m a t i o ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s z i g b e ea l l i a n c e c o n s i s t so fl n v e n s y s ，m i t s u b i s h ie l e c t r i c ，m o t o r o l aa n dp h i l i p s ，a n dm o r et h a n15 0o t h e r m e m b e r so ft h ei n t e r n a t i o n a l l yr e n o w n e de n t e r p r i s e s ，w h i c hi sg r o w i n gr a p i d l y z i g b e e t r a n s m i s s i o nr a n g ei sa r o u n ds e v e r a ld o z e nm e t e r s ；i tu s e sf l e ei s m2 4g h zs p e c t r u m a n d9 0 0m h z f r e q u e n c yb a n d sf o rt r a n s m i s s i o n ，a n dc o n s i s t so ft r a n s m i s s i o nr a t eo f 2 0 t o2 5 0k b p s c o m p a r e dt ot h ee x i s t i n gw 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 i e s ，z i g b e e t e c h n o l o g y sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wr a t ei sv e r ym u c hs u i t a b l ef o rl r - w p a n a p p l i c a t i o n s ，w h i c hm a k e si td e v e l o pm o r ef a s t e r z i g b e et e c h n o l o g yb a s e da p p l i c a t i o n sa r ev e r ys c a l a b l e ，s o m eo ft h ea p p l i c a t i o n s i n c l u d ed i g i t a lh o m e sw h i c ha l l o wp e o p l et om o n i t o ra n dc h a n g et h es t a t u so fh o m e e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，a n da l s oc a nb eu s e dt om o n i t o rp a t i e n t s ，c h i l d r e no rp e t sa th o m e 2 z i g b e es e n s o rn e t w o r k sf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o nc a l lr e d u c eo p e r a t i n gc o s t s f o r e x a m p l ei nh o t e l sh e a t i n gv e n t i l a t i o na n da i rc o n d i t i o n i n g ( h v a c ) e q u i p m e n t , i f z i g b e en o d e sa r ea d d e dt oe a c ha i r - c o n d i t i o n e r , t h e s ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m sw i l lb e a b l et oc a r r yo u tr e a l t i m ec o n t r o l ，s a v i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i na d d i t i o n ，t h r o u g ht h e i n t e g r a t i o no fz i g b e ep h o n ec h i p s ，m o b i l ep h o n e sc a l la c ta sz i g b e es e n s o rn e t w o r k g a t e w a y s , w h i c hw i l lh e l p t or e a l i z es m a r th o m e s , c o n t r o la u t o m a t i o n , m o b i l e c o m m e r c e ( p h o n es h o p p i n g ) ，a n dm a n yo t h e rf u n c t i o n s z i g b e e si n f l u e n c eh a sb e c o m es og r e a tt h a tp e o p l ea re o f t e nm i s l e a dt oc o n s i d e r i e e e 8 0 2 15 4a n dz i g b e e 嬲t h es a m et h i n g ，i nf a c t , i e e e 8 0 2 15 4o n l yc o n t a i n s l o w - 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