【毕业学位论文】Zigbee无线组网技术的研究-控制科学与工程

中南大学硕士学位论文武斌申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：罗大庸20090501摘要R而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信协议，能够广泛的应用于军事，工业，智能家居等领域。但由于规范及应用仍在不断的完善和发展之中。通过对出了改进的组网方案，简化了原方案中入网的流程，减小协调器对节点加入的处理时间。仿真发现改进的组网方案能有效的减少了入网延迟，避免了冲突。针对出了基于最快路径的过简化路由发现和路由表、删除了更进一步达到低控制开销的目的，本文提出算法既具有具有过仿真表明，改进的算法能够较好的达到设计要求，具备了实现的可行性。本文最后利用改进的组网方案和先利用后在对该网络做了相关的测试。关键词组网方案，39is a on of Rit in to is 印er an y to he of O on in to of BR BR is a of of of as no he an of 1 ，印er er a S2 a 3 9BR nd do on to by 39呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。研触嗍手心血学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。叫姆翩签湃隰珥年上月丛日硕+学位论文 第一章绪论11课题背景第一章绪论过去若干年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等迫切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准【l】们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网(蓝牙(术、无线保真(超宽带(及展现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的1。有力地推动着低速率无线个人区域网络发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。预计随着速率应用将日益广泛，在我们的生活中扮演越来越重要的角色【31。在该技术已经成为研究的新热点，在不久的未来，基于不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落，给人们的生活带来方便和快捷141。研究为下一步应用打下良好理论基础，方便进行系统设计。本文将结合当今的发展趋势和2 究也较成熟。了推动今已经吸引了上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多电、通讯节点、具等厂商，目前该联盟已经包含了150多家会员。并且还有许多厂商已将内内内市场主要由国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研制的硕十学位论文 第一章绪论有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志。到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。不过随着无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术应用方面的研究。特别是与我们同常生活息息相关的近距离无线组网技术的研究和应用，如中科院计算所的宁波分所就在专门从事无线技术的研究，主要侧重于无线网络化智能传感器，计算所自行开发可低功耗的点网络动态组网拓补协议、网络节点管理软件、无线网络化智能传感器操作系统。国内的一些大学，如浙江大学、山东大学、清华大学等【6】也在搞用国外厂商的开发平台和芯片建立应用于智能家居，无线抄表和物流管理方面。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产有大量研究者对1、广播问题【羽、安全机制【9】等进行了研究，并且目前仍然存在一些问题，主要包括以下几个方面【l 网络地址在至在某些条件下会重名。这就使得网络必须解决不可靠的寻址机制，以确保将数据发送到正确的节点中。提供更具鲁棒性的寻址机制。同时，包括确保可靠的数据传输。2固定工作信道由于54 制，因此可以工作在固定信道，在通过能量扫描筛选出具有较高能量的信道后选出工作信道。但是，一旦初始能量扫描完成后，在所选的信道质量变坏时为有许多节点(包括蜂窝电话、微波和80211网络)占用24此这可能是一个大问题。目前，终端节点开发商必须在其设计中解决干扰问题。容量限制是，对于需要可靠的数据传输、网状组网、更高安全等级、低功率的终端节点等高级应用而言，这一空间将很难满足802154 着一章绪论的持续发展，先进的应用似乎需要迁移至带有更多闪存的微控制器。从安全方面来看，由于无线自组织网络使用的共享无线信道存在着安全隐患，使得无线自组织网络很容易受到攻击并且很难对攻击进行跟踪1111。从接入控制来看，对接入公平性、多种网络共存、隐藏终端、暴露终端等问题虽然已提出了很多技术和方法但是依然没有得到完善的解决【12】【13】。从能量控制来看，由于无线自组织网络的节点没有固定基础设施支持，因此如何降低网络能量消耗，提高能量效率，以及如何避免网络分割和节点过早死亡也是研究的重要问题。目前，降低网络能量消耗的主要方法包括选择性的调整节点接收器到休眠状态、使用可调输出功率的发送器、采用节能型路由掣14】【15】【16】。就多厂商、高校和研究机构都对行了大量的研究工作。当前研究的重点主要集中在要集中在以下几个方面：1少厂商推出了200 137J。2前，不管国内国外，已有大量的研究者和厂商提出了智能家居【18】【l 91、智能公交车【20l、嵌入式方面【211、传感器网络【22】的应用。另外，境监控、生产线数据收集，以及41、和和其它技术共存研究：对6l、网络性能评估：对研究54标准在竞争时期(网络吞吐量和能量消耗【28】、络的通信量及稳定性1291、在整其活动时期节点的能量消耗，使得网络的生命延长【30】等。6路由算法：由算法，这样传统的别是节点密集的网络，会直接影响端到端时延和数据包的传递的时延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可扩展性，目前一些国内外期刊和论文针对一章绪论法提出了一些改进路由算法，如：法【3l】【321、1、35】算法、3 成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。131 54和全装置和煤气读数表等节点的无线网络。这是由其主要技术优势决定的【37】：1数据传输可靠：时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；同时，个发送的数据包都必须等到接收方的确认信息。同时到的数据保存在把述步骤完成后，就可以得到所需要仿真结果的图形，通过这些数据得出对实验的结论。15硕十学位论文 第二章3 附加了一些辅助特性，以满足节点类的实现原理。节点是28是8平台中8021 54一图2层功能如下：1用和路由算法是根据具体的无线场景定义。2802要负责传输可靠性保障和控制数据包的分段和重组。通常，所有发出的分组由路由(代理)后过业务相关会聚子层(口)处理。处理完之后后54的许访问54的802154 含A、关联解关联等功能，实现802154 含能量检测、空间信道评估、链路质量指示等功能，实现9硕十学位论文 第二章4原方案下节点入网过程仿真本节仿真的目标是在别对不同个数的的节点通过一个协调器加入网络的情况进行仿真。节点数分别取2，4，6，10，14，边界为50m*50m，通信范围为15m，节点与协调器距离最远为10m。本章所用仿真的拓扑结构如图20 r：、 泛oO 图29仿真拓扑图在节点作为协调器5后分别隔一段时间Z。激活一个节点(已=O05s、006s、01s、015s、03s、05s、通过修改at ) 0”来实现不同真中下： 6： 超帧中包含的时隙数 0； 超帧系列为0时组成超帧的时隙符号数 6 超帧系列为0时，组成超帧的符号数6 220；等待响应帧的最大符号数6 2点发出请求命令后，在得到响应命令之前，需要等待的最大符号数 ； 发送失败后，最大的重试次数仿真中下：#4 得到应答帧之前等待的最大符号数# 协调器发送信标的频率# 5超帧活动部分的长度# 访问信道的最大退避次数oo十学位论文 第二章S 2删+1)21)其中：，14】，于24值为625s。因此具体的扫描时问为：T 60(2鼢伽删砌+1)625幸103=1536*(2勋伽删棚+1)22)在本次仿真仿真中，采用主动扫描方式，节点全都是中主动方式的4)。这样就可以计算出网络初始化各个阶段的时间：饥芍聊4576262呈5竺41 0了49 152 = 堆 3= 1丁=32脚肥625木103=0128一章14)讨论，其他情况照此类似分析。本仿真是在用圈21Tr_-_一_ni嘲黼髓麟嬲嘲嘞黪凝戳戳鳓嬲嘲躞雠玎二l!d】1i r2 2clr,8。,r=p、n，1i1sir。m j。,：搿3p”=；nOg,r。lr “s”j c,l r,02j,x c,帕b ol r,02。t r 6 l nc；oi r26500)762040()267844()786144()nd s78锯08()一clt一n781*08()l(16788608()to 790304()st6791584】(f”d702672们(s3【8217824】()am(bn 0】e221584】()一】【8257312()3744】()aOn 】鳖篓邀；!蛰篓兰塑鲨!生：业!坚!坚型世业!：!目260 06络冲突比在网失败的节点增多。从整个仿真过程来看，节点的加入顺序变的没有规律，这是由于网络冲突造成的。当这些失败的节点又重新发起关联命令直到入网成功的话，这样所花的时间就会大大的增加。当络冲突就越明显，并且加入的总时间变化很不规则。图2一14是当取0 06,1,f!一!j!蔓=!兰=兰=二竺竺兰：点加八失败|一懈；硕十学位论文 第一二章=三兰=三兰：苎=兰=!兰兰=【o】 叫浏 昌尝冷尝8 |L：；。蓄兰一。，。o(”节点重新加八成功图2o 06a)看出，节点不是按照顺序加入网络，节点14比前几个节点都更早加入网络，这是由于网络中出现很大的冲突，而协调器处理每个节点加入的时间又比较长，这样就直接导致了节点的无序加入。图(b)是所有节点都全部加入网络。通过类似的方法分别对写在其它取值情况下进行仿真。当计每种情况的所有节点全部连接成功的总时间r，如图215。：5110叶O3的变化基本上趋于稳定。这是因为当乙越小，协调器在某些时问内处理的信息量过大，使得很多节点的关联加入请求得不到满足，节点越多越明显，而那些前面加入失败的节点会继续发送加入请求，它们和后面即将激活的设备之间又会产生新的网络冲突。25改进的组网方案通过以上分析知当节点通过协调器加入网络时，所需的原语数较多，这样需要的时间较长。假如有多个节点在较短的时间内先后加入网络，就会产生较大的网络冲突，使得协调器负载过重，导致一部分节点加入失败，而这些加入失败的节点会继续发送加入请求，这样所有节点全部成功加入的总时间会进一步增加。本文通过减小每个节点加入网络的时间及原语数来达到减小这种冲突的目的，从加入网络的时间分析，加入网络的绝大部分时间花费在主动扫描、信标周期和等待协调器处理时间上，而前两者时间是固定不变的，但是等待协调器处理的时间却是可变的，和协调器要处理的原语数量有关，可以通过减少原语的数量，减小协调器处理这些原语通信握手过程所需要的时间，这样协调器就能更快的响应节点的关联加入。图216为改进后的节点与协调器的连接原语时序图。图216改进方案下节点与协调器的连接原语时序图当协调器在收到加入请求命令后，检查本身资源足够的话，就直接产生关联堕!堂壁堡墨 堡三皇!堕堡!望塑互塞堕堡生响应命令并直接发送给待加入的节点，这样协调器就不需要存储关联响应命令，节点也不需要发送数据请求命令，只用等待协调器的响应命令即可，这样入网过程所需要的原语数就减少了，从而能够有效的减小冲突。通过这样的改进方法节点加入网络的时问和所需要的原语数都会有所减少。在本文中，T8就是说当协调器收到节点的加入请求命令后只用122 88着就产生响应命令，直接发给待加入的节点。通过比较图26，改进后的方案比改进前所需要的原语数少了很多。表21为原方案和改进后方案下每一步所需要的原语数对照表：表2进前(个) 改进后(个)1 8 82 23 233 3 04 39 165 11 11原语总数 84 58图24的情况，已分别等于l 6岁毋囤2。MMM。移苜m互m堡堂堡堡兰 兰三至!型查窒竺壁生 盟 婴彰昌。尸 弋m啾、图2 1006t=入网过程中没有出现网络冲突，节点是按顺序加入网络；而当=006然仍存在一些网络冲突，但相比改进前减少了许多，节点仍然按顺序加入网络。另外两种情况下都没有出现节点加入失败又重新加入的情况，这说明改进后的效果明显。在改进的方案下，分别对原方案的拓扑仿真，然后统计每种情况当有节点全部连接成功的总时间，如图219。4星12嘉10荟8642一+7一 一 l ，、：K-hf70 0l 0j 03 04 05 7 0j 09 囤2二章他参数不变，每个节点关联的最大时间约为60302改进前省了约370832有中实线是改进前，虚线是改进后的效果。毒匣留03 为在改进方案比原方案相比之下，协调器对每个节点加入的响应时间减少了，所需要的原语数量少，也就腾出了更多的时间去处理其他节点的加入，在仿真中可以看出在这个时间间隔时此之间几乎没有冲突，故增加的趋势是线性的。当进方案的效果就越好。而当T03方案节点加入过程也就没有冲突了，故改进方案的效果就不是很明显了。=2坦840s50时，则表明此路由节点可以接收其它节点作为它的子节点，并且为其了=节点分配网络地址，每个父节点虽多可以分配凡个地址。斋要注意的是，为路由节点和终端甘点分配的地址不相同。对于在网络中的某一个路由节点来说，假如它的地址为爿那么它给它子节点分配地址为：1：当子节点为路由节点时，第个节点被分配的地址4为：4=一+(黼(d)枷一1)+1 ln巴 (3_4)2：当子节点为终端节点时，第个节点被分配的地址为：4=A+d)心+ 3据网络地址分配机制，在一个允许的最大节点数为；虬。=)R+(1 (33c=4 R。=3 L=3N。=56 18C，)=5 l=Ir“)=0掷调器。路由节点。终端节点囤3-1 大的子节点数为4，最大的路由数为3，深度最大为3。当一个协调器建立一个新网络后，自动将自己的地址设置为0，实际深度d=0最大的节点数以吲=56，也就是说圈31中的拓扑结构中，最多能容纳56个节点。在一个论上最多能容纳65535个节点。但是在实际网络中，不是所有的地址都分给了实际的节点，这是因为给一个新节点分配的地址的父节点可能不在网络的覆盖范围内，尽管这些地址在网络覆盖范围外可用。在图31中，假如协调器和路由节点2全部填满，而路由器3没有填满，这时候有一个新的节点试图加入这个网络，这个节点在路由节点2的范围内而不在路由节点3硕十学位论文 第三章么尽管网络中有未使用的网络址，节点还是无法加入网络。对于所此在设置网络的模型结构时，首先应该根据参数值计算总的节点数有没有超过65535，及时修改各个参数。34 于每个加入网络的节点，都有一个父节点与之对应，一个父节点有一个或者多个子节点，而一个子节点只能对应一个父节点，按照这样的排列形成一棵树，如果路由沿着这棵树进行，称为点通过数据包中目的节点的地址去计算下一跳，这样就不需要路由发现过程。假设某个的节点的地址是D，节点彳向节点：如果要传输的数据是传递给本身(即目的节点的地址为本身地址)，那么就不在转发直接交上层处理，否则转2；2：如果待传输数据的目的节点是自己的邻居节点(路由表中有路由信息)，那么将数据直接发送给邻居节点，否则转3：3：判断并转发子节点或者父节点地址：如果满足条件：获得16位短地址十学位论文 第三章判断子节点或者父节点幸#f 判断是子节点还是邻节点()路由维护过程为：如果子节点与父节点断开连接时，节点将开始执行孤点流程，搜索其父节点或者执行连接流程搜索一个新的父节点。如果失败，则选择一个新的父节点并获得网络地址，恢复其网络功能，使网络保持树形结果继续运行。在节点尝试重新加入网络并获得地址之前，节点将断开与所有的子节点的连接。如果节点不能搜索它的一个或者多个子节点，则认为它的子节点和网络断开，并将从邻居表中删除子节点的网络地址。节点将重新连接网络，并使用新的网络地址进行操作。选择路由，节点不用在内存中保留一个路由表，也不用去完成发现路径的操作，因此使整个网络的流量显著的降低。但是该算法也存在许多不足，由于按照一种地址上的树形结构进行路由，不能够走最短路径，所走的路径比实际上的长，会造成分组传输时延较高，而且较少深度的节点(靠近协调点的节点)业务量较大，而相对于较大深度的节点业务量又比较小，这样就会造成通信流量分配35硕士学位论文 第三章5 在传统的按需路由算法用动念路由发现、维护机制和目的序列，以合811591。351 三种控制分组：路由请求(路由应答(路由错误(源节点需要与其他节点通信但路由表中没有到该节点的路由时，它就通过向所有的邻居节点广播一个邻居节点采用泛洪(方式在网络中传播中间其他节点收到这个先判断是否收到过具有相同源节点和目的节点的果是，则丢弃；如果不是，就利用先不分配有效序列号，只用于记录一个临时的到达源节点的反向路径，目的是使且中间节点每转发一次。如果中间节点含有到目的节点的路由，就按则继续广播该目的节点收到样建立反向路由，然后目的节点也沿着到样源节点就可以根据收到的源节点移动时，它会重新发起路由发现算法；如果中间节点移动时，那么与其相邻的节点会发现链路失效并向其上游节点发送后源节点根据情况重新发起路由发现过程。图32是中节点1向节点本身没有到达11节点的路由，并假设中间所有节点都没有到达时节点a)，中间节点收到这个且在各自的路由表中添加源节点地址、下一跳节点地址和跳数信息(图bcd)，直到此到的节点11将沿着反向路径向源节点回复所有在反向路径上的节点的路由表中添加目的节点地址、下一跳节点地址和跳数信息。在路径选择时，通过路由表中的跳数大小来选择跳数最少的那条路径，如在图中，节点3、6、9中路由表保存的信息有几种可能，这种情况下硕十学位论文 第二章图中的(1，6，3)，这样就确定了路径，此时节点1就可以把数据沿着刚才确定的路径发给节点11(图e)。O o图3=2 如节点6)有到节点1么节点6将直接回复把节点如在数据传输当中，发生了路径中断，如图33。图3=3发生路径中断情况图中，69链路中断(图a)，则节点6产生b)，这时候节点一条新的路径发送数据(图c)：其路由维护过程为：节点通过果该节点连续3次没有收到认为链路已经断开，这种情况下，链路的上游节点将删除该链路的路由信息并发送一个知相邻节点和相应的上游节点删除所有因链路断开而导致目的节点不可达的路由信息。每个节点都保留了一个先驱列表(帮助完成个列表保存了把自己作为当前不可达节点的下一跳的相邻节点。如果源节点想重建到目的节点的路由，则会发送一个带有大于先前序列号(37硕+学位论文 第二章外，与活动路由无关的节点移动或者断路时，并不影响源节点到目的节点的路由。352 采用基于最少跳数的最短路径算法作为路由选择算法。在有线网络多以最短路径作为路由选择标准，在信道质量很高的有线网络中，选择最短路径能够确保网络能够在较短的时问确立一条较优的路径；但是在无线网络环境下，基于最少跳数的最短路径路由算法通常会造成网络堵塞和高控制开销等问题，其主要原因是该最短路径算法以源节点到目的节点的跳数作为路由选择的标准。而跳数越少的路径在实际中不一定是最佳的。主要原因包括以下几个方面：1跳数最少并不意味着路径最优由于源节点和目的节点之间的距离一定，在相同传播介质的条件下，距离相差越远，信号强度就越低，传输效果也就越差，在这种情况下，通过中问节点的转发往往比直接发送效果更好，而转发的跳数并不是最少。2跳数最少并不意味链路中节点最“空闲”当跳数最少的路径上某个(些)中间节点已经严重过载时，如果继续选择使用该路径进行路由，则可能会导致大量数据包的丢失和传输延迟的急剧增加，从而降低网络性能的降低。图34是3点1节点4发送数据，节点5向节点7发送数据，并且路由表中都不存在到目的节点路由，则源节点发起路由发现过程。从图中看出，节点5存在两条路径可以到达节点7，而节点3需要处理两组样有可能导致节点3负载过重，由于路径)d于路径2的跳数()，那么最终选择路径1作为节点5到节点7的数据传输路径，而路径2却处于空闲状态。因此，不可避免的带来对数据处理能力的下降和网络负载的增加，造成这一现象的硕+学位论文 第三章外一个原因是得“堵车”现象得不到较好的缓解。另外，当源节点收到多条来自不同路径的过比较消息中目的节点序列号来选择路由，在序列号相同的情况下根据跳数信息来确定路由，这样会加剧网络中负荷分布的不均匀。另外，每个节点会定期广播收到而导致路由开销增加。而且数据发送一般只利用一条路径，无法并行或并发的发送数据，导致网络传输率较低，延迟增加，网络负载不平衡，甚至造成网络拥塞【56】。总之，路简单、易懂、支持中间节点应答，能使源节点快速获得路由，有效减少了广播数，节点只存储需要的路由，减少了内存的需求和不必要的复制、快速响应活跃路径上断链、通过使用目的序列号来避