毕业论文（设计）
英文翻译
原文标题 Extended shortcut tree routing for ZigBee based wireless sensor network
译文标题 基于ZigBee的无线传感器网络的扩展快捷树路由
Extended shortcut tree routing for ZigBee based wireless sensor network
L.K. Wadhwa, Rashmi S. Deshpande, Vishnu Priye
Abstract:Energy efficiency and network lifetime are main concerns in WSN. In order to improve these factors ZigBee plays an important role. Low cost, low data rate features of ZigBee results in low power consumption and makes it useful in wireless sensor networks, increasing life of small batteries of nodes in the network. Since tree routing in ZigBee does not require any routing tables to send the packet to the destination, it can be used in ZigBee end devices that have limited resources. Routing protocols such as AODV (Ad-hoc on demand distance vector routing), ZTR (ZigBee tree routing), and STR (Shortcut tree routing) are compared on the basis of different performance metrics (End to end delay, routing overload, throughput, packet delivery ratio). An extensive simulation in NS2 is carried out. The performance evaluation shows that STR achieves better performance as compared to other two routing protocols. But there are some limitations of the STR method. Performance of packet delivery ratio of STR is less as compared to AODV. Performance of end to end delay of STR is poor as compared to AODV. Hence ESTR is proposed. The main aim of proposed ESTR [Extended STR] is to present new ZigBee network routing protocol with goal of improving the performance of ESTR in terms of PDR and delay against STR and AODV.
1 Introduction
ZigBee is a specification that defines a set of high level protocols for low cost and low power [5] wireless personal area networks. ZigBee is based upon IEEE 802.15.4 standard [1,8,9]. ZigBee provides the low power wireless mesh net- working and supports up to 64,000 devices in a network with the multihop tree and mesh topologies as well as star topology [3,4,7]. It is different from the other personal area network standards such as Bluetooth [6], UWB, and Wire- less USB. Based on these characteristics, ZigBee Alliance has various applications like smart home, building automation, health care, smart energy, telecommunication,and retail services. The ZigBee network layer, which is the core of the standard, provides dynamic network formation, addressing, routing, and network management functions. Every node is assigned a unique 16-bit short address dynamically using ei- ther distributed addressing or stochastic addressing scheme. The routing protocols of ZigBee are diverse so that a system or users can choose the optimal routing strategy according to applications. ZigBee reactive routing protocol provides the optimal routing path for the arbitrary source and destination pair through the on-demand route discovery. It requires the route discovery process for each communication pair, so the route discovery overhead and the memory consumption pro- portionally increases with the number of traffic sessions.
In ZTR, since each node is assigned a hierarchical address [2], a source or an intermediate node only decides whether to forward a packet to the parent or one of the children by comparing its address with the destination address. ZigBee treerouting(ZTR) uses distributed block addressing scheme and prevents the route discovery overhead in both memory and bandwidth. The main advantage of ZTR is that any source node can transmit a packet to an arbitrary destination in a network without any route discovery overheads.
ZTR cannot provide the optimal routing path, as packets are forwarded only by using tree topology to the destination even if the destination is located nearby, though it does not require any route discovery overhead.
Shortcut tree routing (STR) significantly enhances the path efficiency of ZTR by only adding the 1-hop neighbor information. Whereas ZTR only uses tree links connecting the parent and child nodes, STR uses the neighbor nodes by shortcutting the tree routing path in the mesh topology. In STR [2], a source or an intermediate node selects the next hop node having the smallest remaining tree hops to the des- tination regardless of whether it is a parent, one of children, or neighboring node. The routing path selection in STR is decided by individual node in a distributed manner. STR has the limitation that the routing path is not always optimal in an aspect of the end-to-end hop distance, because the next hop node is selected based on the local information like 1-hop neighbor table.
Our objective is to provide the near optimal routing path like the reactive routing protocol as well as to maintain the advantages of ZTR such as no route discovery overhead and little memory consumption for the routing table.
Hence we propose ESTR, which is fully compatible with the ZigBee standard that applies the different routing strategies according to each nodersquo;s status. Also, it requires neither any additional cost nor change of the ZigBee standard including the creation and maintenance mechanism of 1- hop neighbor information. The Source Initiated Bulged Multi- Path Routing scheme provides multiple disjoint paths from source to destination. Hop count of all nodes is considered from sink. In this, only one path from each node is considered which is one hop away and is having hop count less than that of the source node. The current reporting rate is divided by number of upstream neighboring nodes of source and this new reporting rate is assigned
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毕业论文（设计）
英文翻译
原文标题 Extended shortcut tree routing for ZigBee based wireless sensor network
译文标题 基于ZigBee的无线传感器网络的扩展快捷树路由
学生姓名 张超 学号 20131336021
专业年级 13自动化（1）班
指导教师 杨春霞
二Ｏ一七 年 三 月 一 日
基于ZigBee的无线传感器网络的扩展快捷树路由
L.K. Wadhwa, Rashmi S. Deshpande, Vishnu Priye
摘要：能量消耗和网络寿命是无线传感器网络的主要问题。为了改善这些因素,ZigBee起着重要的作用。ZigBee低成本、低数据速率特性导致功耗低,使其在无线传感器网络中有用,增加了网络中节点的电池寿命。由于ZigBee中的树路由不需要任何路由表将数据包发送到目的地,因此可以在资源有限的ZigBee终端设备中使用。在不同性能指标(端到端延迟、路由过量、吞吐量、数据包交付)的基础上,比较了AODV路由协议( AODV路由协议)、ZTR路由协议(ZigBee)和STR(快捷方式路由)等路由协议。在NS2中进行了广泛的仿真。性能评价表明,与其他两种路由协议相比,STR具有更好的性能。但STR方法存在一定的局限性。STR的分组投递率比AODV协议的性能更低。与AODV协议相比,STR的端到端延迟性能较差。因此,提出了ESTR。提出的ESTR[扩展STR]的主要目的是提出新的ZigBee网络路由协议,目标是提高PDR在PDR和延迟对STR和AODV的性能。
关键词：ZigBee; IEEE802.15.4; WSN; Tree routing; STR
1 介绍
ZigBee是一种低成本、低功耗[5]无线个人局域网的高层次协议。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准[1,8,9]。ZigBee提供低功耗无线mesh网络-工作和支持多达64,000个设备与多跳树和网状拓扑以及星型拓扑[3,4,7]。它不同于其他的个人领域网络标准,如蓝牙[6]、UWB和电线USB。基于这些特点,ZigBee联盟有各种应用如智能家居、楼宇自动化、医疗保健、智能能源、电信和零售等服务。ZigBee网络层是标准的核心,提供动态网络形成、寻址、路由和网络管理功能。每个节点都被动态地分配一个唯一的16位地址,使用它的分布式地址或随机编址方案动态。ZigBee的路由协议是多样化的,因此系统或用户可以根据应用选择最优路由策略。ZigBee反应式路由协议通过按需路由发现,为任意源和目标对提供最优路由路径。它需要对每个通信对的路由发现过程,因此路由发现开销和内存消耗随着会话的会话数量增加而增加。
在ZTR中,由于每个节点都分配了分层地址[2],源或中间节点仅通过将数据包与目的地址比较,来决定是否将数据包转发给父或子数据包。无线个域网(ZTR)使用分布式块编址方案,并防止在内存和带宽中的路由发现开销。ZTR的主要优点是,任何源节点可以将数据包传输到网络中的任意目标,而无需任何路由发现开销。
ZTR无法提供最佳路由路径,因为数据包仅通过使用树拓扑转发到目标,即使目标位于附近,但它不需要任何路由发现开销。
快捷路径树路由(STR)价格仅添加1跳邻居信息增强了ZTR的路径e。虽然ZTR只使用连接父节点和子节点的树链接,STR通过简化在网状拓扑中的树路由路径使用邻居节点。在STR [2]中,源或中间节点选择具有最小剩余树跳的下一跳节点,而不论其是否是父节点、子节点或相邻节点。STR的路由路径选择是以分布式方式的单个节点进行路由选择.STR在端到端跳距离的一个方面有限制,因为根据本地信息(如单脚跳邻居表)选择下一跳节点。
我们的目标是提供类似于反应式路由协议的近最优路由路径,并保持ZTR的优势,例如路由表的发现开销和小内存消耗。
因此,我们提出了ESTR,它完全符合ZigBee标准,根据每个节点的状态应用不同的路由施特拉特。此外,它还需要任何额外的成本和ZigBee标准的变化,包括1-跳邻居信息的创建和维护机制。源启动的多路径路由方案提供从源到目标的多个不相交路径。从水槽中考虑所有节点的跳数。在这种情况下,每个节点只有一条路径是consid—赔率,这是一跳,并且跳数小于源节点的跳数。当前的报告率除以源的上游相邻节点的数量,并且每个路径分配新的报告速率。节点将接收数据包并转发数据包,只有当数据包来自代德路径时,否则它将丢弃该数据包。此过程将传输至数据包到达目的地。
本文的主要贡献如下:首先,提出了ESTR解决ZTR和STR总体净性能下降的主要原因,这是迂回路径问题和交易c浓度问题。其次,证明了ESTR使用的多路径路由改进了路由路径e ,减轻了ZTRc负载集中在ZTR树链路上的负载。第三,分析了ESTR、STR和AODV的性能。
本文的组织如下:第二节介绍了ZTR和STR及其存在的问题。第三节给出了扩展的最短路径树路由算法,并在数学上分析了ESTR的性质。在第4节中对各种性能进行评估,并在第5节中给出结论。
2. ZigBee树路由协议
设计了一种基于资源约束的ZigBee设备,在没有任何路由发现过程的情况下选择多跳路由路径,并基于分层分组地址方案。
通过分层编址方案,我们可以东亚峰会确定目标是每个源还是中间节点的后代。在ZTR中,每个源或interme节点将数据发送给其中一个子节点,如果德斯蒂是后代;否则,它会发送给它的父。a和b,其中数据包经过几个跃点到达目的地,即使它位于发送者的2跳传输范围内。为了解决ZTR的这一迂回路径问题, ZigBee规范定义了直接传输规则,允许协调员或路由器直接将数据包传输到目的地,而无需路由协议的决定。
然而,该方法无法从根本上解决树路由的遍历路径问题。如果目标位置超过2跳距源节点,我们无法应用直接传输规则。除了迂回路径问题,ZTR由于树链接的限制,具有交易c的集中问题。由于所有的数据包只通过树链路,在根节点周围es,严重的拥塞和丢包集中在有限的树链路上。随着数据包数量的增加,这种症状变得越来越严重,并导致数据包传输比、端到端延迟和其他网络性能下降。
3.快捷路径树路由
STR算法通过我们邻居信息解决了ZTR的这两个问题。它完全解决了迂回路径问题,但没有完全解决问题.STR基本遵循ZTR,但是当剩余的树跳到达目的地时,选择邻居节点作为下一跳节点。例如,在图中。1 c ,STR计算从下一跳节点到所有邻居节点的目标的剩余树跳,并选择n4作为下一跳节点将数据包传输到目标D2。STR的主要思想是,我们可以计算从任意源到目标的保持树跳跃,达到前一节讨论的ZigBee地址层次结构和树结构。换句话说,可以使用源节点的树级别和它们的共同祖先节点来计算剩余的树跳,因为来自源节点的数据包到达共同祖先,其中包含目标的地址,并在ZTR中向下到目标。
STR有限制,在端到端跳距离的一个方面,路由路径并不总是最优的,因为根据本地信息如1跳邻居表选择下一跳节点。例如,在图中。1 c ,s到D2的最优路径是年代,但它需要2跳邻居信息,使源s知道n5在thed2的1跳通信范围内。在具有高节点密度的网络中,维持2跳邻居信息会产生较高的协议开销;因此,我们选择在内存消耗和路由开销的角度提供一个资源e路由协议。
4.ESTR (扩展STR )
数字2显示源启动的鼓起多路径路由方案提供从源到des的多个不相交路径。从水槽中考虑所有节点的跳数。在此,每个节点只考虑一条路径,这是一跳,并且跳数小于源节点的跳数。当前的报告率除以源的上游邻居节点的误码率,这一新的报告率在每个路径上分配。该节点将重新分配数据包,并仅当数据包来自德迪路径时,否则它将丢弃该数据包。此过程将传输至数据包到达目的地。利用多路径路由机制,完全解决了绕行路径问题和交易集中问题。
-
- Algorithm to find ancestor
4.2 Algorithm to find next hop 下一跳的算法
5.绩效评估
这里,对ESTR的性能和开销的不同度量进行了评估。路由性能的评估包括平均吞吐量、端到端延迟、数据包传输比,以及路由开销是根据路由控制数据包的数量和存储容量来衡量的。在本评价中,如表1所示,网络模拟器n。和IEEE802.15.4原型用于比较ESTR与STR和AODV的比较。
每个仿真中的每个节点在随机时间从0开始进行关联,在需要的50秒的模拟时间内分配网络地址,如表1所示。在ZigBee中,通过链路状态消息创建和维护邻居表条目,每nwklinkstatusperiod秒广播一次,在我们的模拟中设置为15秒。该链路状态维护机制是ZigBee中的必备功能;因此,ESTR和STR在实际部署中具有相同的路由开销和内存开销。ZTR的性能大大低于AODV和STR的性能。因此对AODV、STR和ESTR进行了比较。
随着节点数量的增加,AODV协议的分组传送率降低到12%。主要原因是到达目的地的大量跳数和重叠的路由路径。数据包集中
在树的根周围,由于网络密度增加,在树的根周围发生了许多数据包冲突和干扰。另一方面,STR和ESTR在如图所示的300个节点中分别显示约15%和18%的高分组交付率。由于路由路径足够短,不能相互干扰,路由路径也通过邻居节点分布。
由于ESTR没有排队延迟和es路由开销,因此它实现了无论网络密度的高传输比。
另一方面,ESTR和STR都对网络密度不敏感。它证明STR和ESTR提供短路由路径,而不考虑节点树级别等网络拓扑结构。ESTR和STR的跳数随着网络密度的增加而减小,因为这两种路由协议都可以从候选节点的工人数中获得更多的e路由路径。
图中的端到端延迟.3b显示了与跳数相似的趋势,因为端到端延迟主要受源和德斯蒂之间的跳距离影响。而AODV则显示了端到端的端到端延迟
数字与STR和AODV相比,ESTR的吞吐量较高。
路由开销来自控制数据包数量和存储器消耗,如图所示。3d。由于网络密度增加, AODV路由开销呈指数级增加,因为rreq(路由请求)数据包被fl到整个网络。STR的路由开销被计算为链路状态维护机制的开销,即使它是的起源的ZigBee标准中的fi,而不考虑STR。提示链路状态维护机制是ZigBee中的必备功能,ZTR在ZigBee的实际部署中也具有相同的路由开销。
ESTR的路由开销与网络密度呈线性关系,而AODV和搅拌的路由开销随着路由发现的节点数的增加而增加。换句话说,AODV路由发现数据包与交易会话的数量成正比,而拥塞与这些说数据包相结合,增加了路由发现数据包和数据包的碰撞和重传可能性。这就是为什么AODV在300个节点的路由开销显著增加。
STR和AODV均存储来自链路状态维护机制的所有1跳邻居信息,AODV附加要求存储器维护路由发现表和路由表。STR和AODV在记忆识别方面差异不大.AODV是反应式路由协议,它只在数据包deliv请求时才发现路由路径;因此,AODV价格的路由开销和内存消耗都与traf会话的数量增加。
6.结论
迂回路径问题和交易c浓度问题是ZTR和STR等通用树路由协议的基本问题,导致网络性能下降。为了克服这些问题,提出了使用邻居表的ESTR,原来是ZigBee标准中的fi。在ESTR中,每个节点可以根据剩余的树跳到达目的地的opti节点和opti下一跳节点。数学分析证明, ESTR中的1-跳邻居信息减少了树上的交易c负载条件,并提供了一个e路由路径。STR的分组投递率比AODV协议的性能更低。与AODV协议相比,STR的端到端延迟性能较差。提出的ESTR [前往往]改进了PDR和延迟对STR和AODV的性能.网络仿真表明,ESTR通过抑制附加路径发现过程,为AODV提供了可比较的路由性能,并通过对网络密度和网络传输的可扩展性的尊重。因此,希望在许多需要小容量和高路由性能的ZigBee应用中使用ESTR。
References 参考文献
[1] C. Li, Y. Wang, X. Guo, The application research of wireless sensor net- work based on ZigBee, in: Proceedings of the Second International Con- ference on Multimedia and Information Technology, 2010.
[2] T. Kim, J. Yang, Neighbor table based shortcut tree routing in ZigBee wireless networks, , Proc. IEEE Trans. Parallel DiSTRib. Syst. 25 (3)
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资料编号：[27646]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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