基于ZIGBEE的无线传感网络能耗优化方法研究

论文摘要

随着通信技术的发展,无线传感网络在人们的日常生活中起着越来越重要的作用。而Zigbee技术凭借其低成本、低功耗、组网方便等诸多优势在无线传感器网络中逐渐脱颖而出。尤其是ZigBee技术具备的强大的网络功能,它支持目前三种主要的自组织无线网络类型,且具有很强的鲁棒性和系统可靠性,使得ZigBee网络更加高效、灵活、可靠。本文详细介绍了ZigBee技术的背景、ZigBee设备构成及其网络结构,并深入的研究了ZigBee协议规范。在维持无线传感网络一定通信质量的前提下,分别针对ZigBee网络的物理层,介质访问控制层（Medium access control, MAC）和网络层的节能策略进行了深入的研究。本文对ZigBee网络节点的硬件选型进行了分析,给出了节点的硬件框架设计。并对节点的睡眠机制进行了分析,通过仿真得出了最适当的节点睡眠时间。在此基础上对MAC层的自适应退避指数算法（Adaptive Backoff Exponent Algorithm, ABE）进行了改进,给出了节能MAC算法（Energy Efficient MAC, EEMAC）并对其性能进行了仿真,仿真中可以看出其大大降低了能耗。另外,针对网路层全功率感知与位置查询算法（Full Power-Aware and Location-Aware Protocols, FPALA）的中心节点推举方式能耗过高的问题,不再采用泛洪算法进行中心节点推举,而是采用预先采集各节点信息并推举出候选中心节点的方式来降低能耗,给出了改进的预先决定中心节点节能推举算法（Predetermining and Power-Saving Grid Header Election Protocol, PPGE）并对其性能进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 ZigBee无线传感器网络技术
• 1.3 无线传感器网络的研究现状
• 1.4 无线传感器网络存在的问题
• 1.5 本课题的研究背景和意义
• 1.6 本论文的主要内容
• 第2章 ZigBee网络及其协议栈
• 2.1 ZigBee技术
• 2.1.1 ZigBee技术特点
• 2.1.2 ZigBee技术的应用领域
• 2.2 ZigBee协议栈
• 2.2.1 物理层规范
• 2.2.2 MAC层规范
• 2.2.3 网络层规范
• 2.2.4 应用层规范
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于物理层的节点能耗优化方法研究
• 3.1 ZigBee节点能耗分析
• 3.1.1 ZigBee节点能耗
• 3.1.2 传感器节点的硬件选型要求
• 3.2 传感器节点硬件系统框架设计
• 3.2.1 传感器节点的节能硬件选型
• 3.2.2 传感器节点硬件整体设计
• 3.2.3 基于CC2430的无线通信模块
• 3.2.4 CC2430的扩展板电路
• 3.3 传感器节点睡眠机制节能优化
• 3.3.1 ZigBee网络数据传输模型和能耗分析
• 3.3.2 仿真结果及其分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于MAC层协议的能耗管理算法研究
• 4.1 ZigBee网络的组网
• 4.1.1 ZigBee网络节点的分类
• 4.1.2 ZigBee网络拓扑
• 4.2 ZigBee网络MAC层协议现状
• 4.2.1 ZigBee网络现有MAC层协议简介
• 4.2.2 ZigBee网络现有MAC层协议的优缺点
• 4.3 EEMAC算法
• 4.3.1 EEMAC算法的睡眠模式
• 4.3.2 EEMAC算法的自适应退避指数算法
• 4.3.3 EEMAC算法性能分析
• 4.4 仿真与分析
• 4.4.1 仿真平台构建
• 4.4.2 仿真结果及其分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于网络路由协议的能耗管理算法研究
• 5.1 ZigBee网络路由协议
• 5.1.1 基于网格的路由协议
• 5.1.2 全功率感知与位置查询协议
• 5.2 预先决定中心节点节能推举方式
• 5.2.1 路由发现与维护
• 5.2.2 新中心节点的推举方式
• 5.2.3 PPGE算法与FPALA协议之比较
• 5.3 网络仿真
• 5.3.1 网络仿真设定
• 5.3.2 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录B 攻读学位期间所参与的科研项目