ZigBee无线传感器网络链路可靠性研究

论文摘要

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统,综合了微机电系统、传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等技术,通过各类集成化的微型传感器协作地进行实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并以无线、自组织、多跳的方式将这些信息发送给用户终端,实现了物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通,在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有十分广阔的应用前景。ZigBee作为新兴的无线通信技术,以其低成本、低功耗的优势引起了人们越来越多的关注。无线传感器网络对设备低功耗、低成本的要求使得基于ZigBee技术的无线传感器网络研究被提上日程。本文在分析和研究IEEE802.15.4/ZigBee标准的基础上,从无线传感器网络应用特点出发,提出了数据传输过程中存在的链路可靠性问题,并从两方面对该问题进行分析,提出了相应的解决策略。由于节点的通信距离有限,无线传感器网络中节点通信往往由多个节点中继完成。节点被频繁使用造成能量不足时可能造成网络中某些链路质量变差甚至出现中断,致使数据不能可靠传输。节点随机移动也会导致链路质量变差,影响数据的可靠传输。针对上述问题,本文在NS2中对这两种情况进行了仿真验证,根据电池的放电特性提出了以节点剩余能量为依据的链路预测方法和链路切换策略。以无线传播模型为依据提出了以LQI为判断标准的链路预测方法和建立新链路取代原链路的策略。基于剩余能量的链路切换过程中,分一跳上游节点和两跳上游节点可找到新路径对寻路过程进行了详细的设计和描述;基于LQI的链路切换过程中,分路由节点移动和终端节点移动两种情况对寻路过程进行了详细的设计和描述,其中路由节点移动又分靠近上游节点移动和靠近下游节点移动两种情况,最后介绍了两种策略中用到的数据帧格式和接收数据后的处理过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的特点
• 1.2.2 无线传感器网络的关键技术
• 1.2.3 无线传感器网络的研究现状
• 1.3 选题背景与研究内容
• 1.3.1 选题背景
• 1.3.2 论文的主要研究内容
• 1.3.3 论文的组织结构
• 2 ZigBee技术
• 2.1 IEEE802.15.4/ZigBee标准及协议栈架构
• 2.1.1 IEEE802.15.4/ZigBee标准简介
• 2.1.2 ZigBee协议栈架构
• 2.2 ZigBee网络拓扑
• 2.2.1 ZigBee网络构成
• 2.2.2 ZigBee网络拓扑结构
• 2.3 ZigBee网络路由算法
• 2.3.1 星型网络路由算法
• 2.3.2 树型网络路由算法
• 2.3.3 网格型网络路由算法
• 3 ZigBee在NS2中的实现
• 3.1 NS2仿真工具简介
• 3.1.1 离散事件模拟器
• 3.1.2 NS2分裂对象模型
• 3.1.3 NS2仿真流程
• 3.1.4 仿真结果显示
• 3.2 ZigBee在NS2中的实现
• 3.2.1 PHY层中的关键部分实现
• 3.2.2 MAC层中的关键部分实现
• 3.2.3 ZigBee网络层关键部分的实现
• 4 能量对网络链路影响与仿真研究
• 4.1 问题的提出
• 4.2 能量临界值的选取
• 4.2.1 电池的工作原理
• 4.2.2 电池的放电特性
• 4.2.3 能量临界值的选取
• 4.3 基于剩余能量的链路预测与链路切换
• 4.3.1 策略描述
• 4.3.2 链路的切换过程
• 4.3.3 控制分组的数据格式
• 4.4 功能实现
• 4.4.1 能量检测
• 4.4.2 接收数据包的处理过程
• 4.4.3 路由信息删除
• 5 移动对网络链路影响与仿真研究
• 5.1 问题的提出
• 5.2 LQI描述
• 5.3 基于LQI的链路预测与链路切换
• 5.3.1 策略描述
• 5.3.2 链路的切换过程
• 5.3.3 控制分组的数据格式
• 5.4 功能实现
• 5.4.1 链路质量检测
• 5.4.2 节点收到数据包的处理过程
• 5.4.3 路由信息删除
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢