ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)若干改進(jìn)機(jī)制研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，近距離、低速、低成本的無(wú)線技術(shù)吸引了眾人的目光。ZigBee作為一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有簡(jiǎn)單易用、近距離、低速率、低功耗且成本低廉等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使該技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類(lèi)電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。尤其對(duì)工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化和遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，以往的無(wú)線通信技術(shù)諸如藍(lán)牙等存在實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜、功耗大、傳輸距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等缺點(diǎn)，而ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了無(wú)

2、線通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的不足。
　　本文以深入分析ZigBee標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，全面地分析了ZigBee地址分配、組成簇、路由選擇等問(wèn)題，指出了當(dāng)前的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在地址分配方面的不足之處，針對(duì)以上問(wèn)題提出了一種改進(jìn)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地址擴(kuò)展機(jī)制及其對(duì)應(yīng)的路由選擇算法，對(duì)提出的改進(jìn)機(jī)制及路由算法進(jìn)行了具體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)模擬仿真驗(yàn)證了提出的改進(jìn)機(jī)制的有效性。論文的主要貢獻(xiàn)如下：
　　1)提出了一種ZigBee無(wú)線傳感

3、器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展的分布式地址分配機(jī)制。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)提出的分布式地址分配機(jī)制具有一些缺點(diǎn):擴(kuò)展深度的問(wèn)題、浪費(fèi)地址、地址不足等。本文首先分析ZigBee分布式地址分配機(jī)制和它在具體應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)，綜述了目前針對(duì)該缺點(diǎn)的研究領(lǐng)域所做的各種研究成果，提出了一種可擴(kuò)展的分布式地址分配機(jī)制。該方法在組成初期均勻樹(shù)之后，隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，需要添加新均勻樹(shù)，因此是對(duì)應(yīng)全體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟痪鶆蛐缘牡刂贩峙錂C(jī)制。提出的機(jī)制根據(jù)地址不足及網(wǎng)絡(luò)使用的必要性適當(dāng)

4、地組成層次簇樹(shù)，在每個(gè)簇樹(shù)內(nèi)仍然利用ZigBee分布式地址分配機(jī)制。用MATLAB編程模擬程序確認(rèn)提出機(jī)制的地址分配成功率。仿真結(jié)果表明，與ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的分布式地址分配機(jī)制相比，本文提出的擴(kuò)展地址分配機(jī)制提高地址分配率。
　　2)提出了一種采用鄰居節(jié)點(diǎn)的ZigBee路由選擇算法。ZigBee協(xié)議的一個(gè)主要目的是實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間、場(chǎng)所等條件制約的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee按深度順序分配地址，并按此地址進(jìn)行路由選擇。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)用層次

5、路由和路由發(fā)現(xiàn)算法進(jìn)行路由選擇。層次路由算法的缺點(diǎn)是因?yàn)橛脤哟未貥?shù)，雖然目的地節(jié)點(diǎn)在一跳距離內(nèi)，但如果沒(méi)連接為簇結(jié)構(gòu)，則不能直接傳輸數(shù)據(jù)，卻需要通過(guò)父節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器遠(yuǎn)距離地多跳傳輸。路由發(fā)現(xiàn)為了解決此問(wèn)題，提出在一跳距離內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間的通信算法，但還是具有缺點(diǎn)。本文分析為了改進(jìn)ZigBee路由算法的以往的研究，提出了一種采用具有鄰節(jié)點(diǎn)表的鄰居節(jié)點(diǎn)的路由選擇算法，對(duì)以往的ZigBee的路由選擇算法進(jìn)行了有效優(yōu)化，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)效率和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)

6、整體能耗的目的。仿真結(jié)果確認(rèn)，與層次路由、路由發(fā)現(xiàn)相比，提出機(jī)制減少數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)和傳輸能量。
　　3)提出了一種基于代理傳輸?shù)拇仡^替換延期機(jī)制。每個(gè)傳感器確定位置后幾乎換不了電池，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有效地管理能量是非常重要問(wèn)題之一。在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中，因?yàn)槿?jié)點(diǎn)組成均勻樹(shù)，按此樹(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗比一般節(jié)點(diǎn)較多，死亡速度也較快。本文考察在能量有效的路由協(xié)議研究中較多的基于簇、樹(shù)、鏈的路由協(xié)議的研究，提出了在Zi

7、gBee環(huán)境下為了有效地利用能量的簇組成機(jī)制。為了減小簇頭死亡速度，該機(jī)制將初始簇組成得全網(wǎng)能耗均勻，為了減少由于頻繁的簇再組成的能量消耗，用兩個(gè)臨界值進(jìn)行代理傳輸及簇頭替換。通過(guò)模擬分析證明提出機(jī)制的優(yōu)勢(shì)。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)、LEACH、PEGASIS相比，提出的機(jī)制減少了節(jié)點(diǎn)死亡速度，延長(zhǎng)全網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　4)實(shí)現(xiàn)對(duì)于結(jié)合三個(gè)機(jī)制的ZigBee協(xié)議系統(tǒng)。本文為了進(jìn)一步升級(jí)ZigBee協(xié)議的性能，提出了關(guān)于Z