ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標準若干改進機制研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，近距離、低速、低成本的無線技術(shù)吸引了眾人的目光。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，具有簡單易用、近距離、低速率、低功耗且成本低廉等特點。這些特點使該技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動化、醫(yī)療護理、智能農(nóng)業(yè)、消費類電子和遠程控制等領(lǐng)域。尤其對工業(yè)控制、家庭自動化和遙測遙控領(lǐng)域而言，以往的無線通信技術(shù)諸如藍牙等存在實現(xiàn)過于復(fù)雜、功耗大、傳輸距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等缺點，而ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)彌補了無

2、線通信技術(shù)在實際應(yīng)用中的不足。
　　本文以深入分析ZigBee標準為基礎(chǔ)，全面地分析了ZigBee地址分配、組成簇、路由選擇等問題，指出了當前的ZigBee標準在地址分配方面的不足之處，針對以上問題提出了一種改進的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地址擴展機制及其對應(yīng)的路由選擇算法，對提出的改進機制及路由算法進行了具體系統(tǒng)實現(xiàn)，并通過模擬仿真驗證了提出的改進機制的有效性。論文的主要貢獻如下：
　　1)提出了一種ZigBee無線傳感

3、器網(wǎng)絡(luò)的可擴展的分布式地址分配機制。ZigBee標準提出的分布式地址分配機制具有一些缺點:擴展深度的問題、浪費地址、地址不足等。本文首先分析ZigBee分布式地址分配機制和它在具體應(yīng)用中存在的缺點，綜述了目前針對該缺點的研究領(lǐng)域所做的各種研究成果，提出了一種可擴展的分布式地址分配機制。該方法在組成初期均勻樹之后，隨著網(wǎng)絡(luò)的擴張，需要添加新均勻樹，因此是對應(yīng)全體網(wǎng)絡(luò)拓撲的不均勻性的地址分配機制。提出的機制根據(jù)地址不足及網(wǎng)絡(luò)使用的必要性適當

4、地組成層次簇樹，在每個簇樹內(nèi)仍然利用ZigBee分布式地址分配機制。用MATLAB編程模擬程序確認提出機制的地址分配成功率。仿真結(jié)果表明，與ZigBee標準的分布式地址分配機制相比，本文提出的擴展地址分配機制提高地址分配率。
　　2)提出了一種采用鄰居節(jié)點的ZigBee路由選擇算法。ZigBee協(xié)議的一個主要目的是實現(xiàn)不受時間、場所等條件制約的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee按深度順序分配地址，并按此地址進行路由選擇。ZigBee標準用層次

5、路由和路由發(fā)現(xiàn)算法進行路由選擇。層次路由算法的缺點是因為用層次簇樹，雖然目的地節(jié)點在一跳距離內(nèi)，但如果沒連接為簇結(jié)構(gòu)，則不能直接傳輸數(shù)據(jù)，卻需要通過父節(jié)點、協(xié)調(diào)器遠距離地多跳傳輸。路由發(fā)現(xiàn)為了解決此問題，提出在一跳距離內(nèi)的節(jié)點之間的通信算法，但還是具有缺點。本文分析為了改進ZigBee路由算法的以往的研究，提出了一種采用具有鄰節(jié)點表的鄰居節(jié)點的路由選擇算法，對以往的ZigBee的路由選擇算法進行了有效優(yōu)化，從而達到提高網(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，與層次路由、路由發(fā)現(xiàn)相比，提出機制減少數(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^替換延期機制。每個傳感器確定位置后幾乎換不了電池，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有效地管理能量是非常重要問題之一。在ZigBee標準中，因為全節(jié)點組成均勻樹，按此樹進行數(shù)據(jù)通信，所以簇頭節(jié)點的能量消耗比一般節(jié)點較多，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、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制。為了減小簇頭死亡速度，該機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，用兩個臨界值進行代理傳輸及簇頭替換。通過模擬分析證明提出機制的優(yōu)勢。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的ZigBee標準、LEACH、PEGASIS相比，提出的機制減少了節(jié)點死亡速度，延長全網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　4)實現(xiàn)對于結(jié)合三個機制的ZigBee協(xié)議系統(tǒng)。本文為了進一步升級ZigBee協(xié)議的性能，提出了關(guān)于Z