ZigBee网络分布式地址分配算法研究

摘要

ZigBee网络是一种低开销、低速率、低成本的无线传感器网络，因为这些特点它成为了大家研究的热点，但ZigBee网络默认的分布式地址分配机制(DAAM)存在孤节点问题（部分节点无法分配到地址的问题）、拓扑优化等问题。现有改进算法，如借地址算法、地址重分配算法等可改善孤节点问题，但会破坏拓扑结构，增加通信开销和地址分配耗时。
　　 本研究先从总体上介绍ZigBee网络概况，根据算法原理的不同，对ZigBee网络地址分配算法进行分析与比较，然后对DAAM和现有算法的不足，提出下述三种改进算法。改进算法一是针对DAAM拓扑优化方面存在的不足，提出的一种基于两跳邻居的分布式借地址分配算法(DBAA-2)，通过为节点分配两跳通信范围内的空闲地址优化网络拓扑，从而提高节点获得地址的成功率，并对Cluster-tree路由算法改进，使其适用于通过借地址机制分配的地址。利用OPNET仿真软件对DBAA-2、DAAM和SLAR(Single Level Address Reorganization)进行仿真和比较。性能分析结果表明，DBAA-2算法在地址分配成功率、组网开销、耗时等性能得到整体提升。改进算法二是针对借地址算法破坏网络拓扑、增加通信开销和地址分配耗时的问题提出的一种基于拓扑维护的高效地址分配算法（A2BTM），优先为路由孤节点向同枝子孙节点借地址并分布式即时回复借地址请求，维护原有树状拓扑，分配终端孤节点DAAM未使用的地址，减少借地址的控制开销和耗时。同时改进现有树路由算法，兼容借地址机制。利用OPNET仿真软件对A2BTM、DAAM、HAC(HybridAddress Configuration)和SLA进行仿真和比较。性能分析结果表明，A2BTM在地址分配成功率、组网开销、耗时、数据包传输方面的性能得到整体提升。改进算法三是针对孤节点问题，提出的一种基于分段的按需可扩展地址分配算法(SOSAA)，对ZigBee网络地址的16位地址空间进行分段，父节点在地址分配过程中根据自身负载情况对分段后的地址空间进行按需的扩展使用，从而提高了地址分配成功率。同时改进树路由算法，以适用于扩展的地址空间。利用OPNET仿真软件对SOSAA、DAAM、HAC和SLA进行仿真和比较，理论分析和仿真结果说明，SOSAA算法在地址分配成功率、组网开销、耗时、数据包传输跳数等方面的性能得到整体提升。最后提出了ZigBee网络地址分配算法进一步研究的方向，并总结全文。

目录

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摘要

缩略语

插图目录

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要内容与结构安排

第二章 ZigBee网络和OPNET仿真软件概述

2．1 ZigBee网络的概念介绍

2．2 ZigBee网络路由协议

2．2．1 Cluster-tree路由算法

2．2．2 AODVjr路由算法

2．3 ZigBee网络地址分配算法介绍

2．3．1 DAAM算法公式推导

2．3．2 DAAM算法原理

2．3．3 现有地址分配算法的不足

2．4 OPNET仿真软件概述

2．4．1 OPNET简介

2．4．2 OPNET通信仿真机制

2．5 本章小结

第三章 基于两跳邻居的借地址分配算法设计与仿真

3．1 基于两跳邻居的借地址分配算法(DBAA-2)

3．1．1 DBAA-2算法新机制与ZigBee网络拓扑优化问题

3．1．2 DBAA-2算法基本操作

3．1．3 DBAA-2算法与Cluster-tree路由算法的兼容性

3．1．4 DBAA-2算法的适用范围与不足

3．2 DBAA-2算法的仿真实验

3．2．1 网络模型

3．2．2 节点模型

3．2．3 进程模型

3．2．4 DBAA-2算法分组(Packet)格式

3．3 仿真结果及分析

3．3．1 网络性能评估参数

3．3．2 实验数据与分析

3．4 本章小结

第四章 基于拓扑维护的高效地址分配算法设计与仿真

4．1 A2BTM算法公式证明

4．2 基于拓扑维护的高效地址分配算法(A2BTM)

4．2．1 A2BTM算法基本操作

4．2．2 A2BTM算法与Cluster-tree路由算法的兼容性

4．2．3 A2BTM算法的适用范围与不足

4．3 基于拓扑维护的高效地址分配算法(A2BTM)的仿真

4．3．1 网络性能评估参数

4．3．2 进程模型

4．3．3 A2BTM算法分组(Packet)格式

4．4 仿真结果及分析

4．4．1 仿真环境配置

4．4．2 实验数据与分析

4．5 本章小结

第五章 基于分段的按需可扩展地址分配算法设计与仿真

5．1 ZigBee网络数学模型与公式证明

5．2 基于分段的按需可扩展地址分配算法(SOSAA)

5．2．1 SOSAA算法设计原理

5．2．2 SOSAA算法基本操作

5．2．3 SOSAA算法新机制与复杂度

5．2．4 SOSAA算法与Cluster-tree路由算法的兼容性

5．2．5 SOSAA算法的适用范围与不足

5．3 基于分段的按需可扩展地址分配算法(SOSAA)的仿真

5．3．1 理论分析

5．3．2 进程模型

5．3．3 SOSAA算法分组(Packet)格式

5．4 仿真结果及分析

5．4．1 仿真环境配置

5．4．2 实验数据与分析

5．4．3 三种改进算法的对比

5．5 本章小结

第六章 结论与未来工作

6．1 结论

6．2 未来的工作

致谢

参考文献

附录：攻读硕士期间主要的研究成果