[[alternative]]Energy aware topology construction and scheduling for ZigBee wireless networks

碩士[[abstract]]ZigBee是一項較新的無線標準，並遵循IEEE802.15.4定義的規則，發展出的短距離傳輸技術，在產品主要訴求上，以短距離、省電、體積小、低成本、容易開發、支援大量傳輸點、低資料傳輸速率等特性來滿足廣大使用者的需求。 目前ZigBee產品主要應用包括：消費型電子、短距通訊服務、能源效率與管理、醫療照護、家電監控、大樓自動化管理、工業自動化生產、室內定位、生物追蹤、機電控制、照明系統管控等等。 為了達到ZigBee裝置能長時間使用，省電機制是這幾年熱門的研究課題，而在ZigBee網路中，預設使用的網路聯結模式會造成某些節點在網路形成後，進行大部份的資料傳遞，導致節點的電力消耗較快，本論文是以電量感知的概念，建立出具電量感知之網路拓樸，達到子節點間的選擇與分配，並延長整體網路壽命。[[abstract]]ZigBee is a new wireless standard that adheres to the regulations defined in IEEE802.15.4 during the development of short-distance transmission technology. The product appeal uses short-distance transmission, energy saving, small size, low costs, easy development, capability to support large number of transmission points, and low rate data transfer characteristics to satisfy broad user requirements. Currently, ZigBee is used in products in the fields of consumer electronics, short-distance commu-nication services, energy efficiency and management, medical care, home utility monitoring, high rise management automation, automated industrial production, indoor positioning, animal tracking, elec-tro-mechanical control, and lighting system management. Energy saving mechanisms have been popular research topics in recent years because of the need to achieve long-term use of ZigBee equipment. In a ZigBee network, the use of default network link mode has causes certain nodes to bear most of the data transfer load after the formation of the network. This phenomenon caused these nodes to rapidly consume electrical power. This paper uses electricity-awareness concepts to establish a network topology with electricity-awareness, achieve selection and allocation between child nodes, and extend the life of the entire network.[[tableofcontents]]目錄 目 錄 III 圖目錄 V 表目錄 VII 第一章、 簡介 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究目的 3 1.4 論文架構 4 第二章、 背景知識 5 2.1 ZIGBEE介紹 5 2.2 Zigbee與IEEE 802.15.4通訊協定與標準 10 2.3 Zigbee與IEEE 802.15.4堆疊協定 11 2.3.1 實體層(PHY) 12 2.3.2 媒體存取控制層(MAC) 13 2.3.3 網路層(NWL) 14 2.3.4 信標模式 18 2.3.5 資料傳輸模式 21 2.4 Zigbee應用層 25 2.4.1 應用支援子層(APS) 26 2.4.2 ZIGBEE裝置物件層(ZDO) 26 2.5 ZIGBEE連線建立 27 第三章、 網路拓樸及路由 29 3.1 網路拓樸 29 3.2 網路位址分配 33 3.3 網路路由協定 38 3.3.1 樹狀網路路由方式 38 3.3.2 網狀網路路由方式 39 第四章、 電量感知之拓樸建立與排程 46 4.1 具電量感知之拓樸建立 48 4.2 具電量感知之拓樸運作模式與排程機制 48 第五章、 分析與討論 61 參考文獻 62 附錄-英文論文 65 圖目錄 圖 1、ZigBee Alliance主要會員 6 圖 2、ZigBee資料傳輸頻帶 7 圖 3、IEEE802.15.4與ZigBee堆疊協定 11 圖 4、媒體存取控制層的信標訊框和實體層的封包格式 19 圖 5、ZigBee超級訊框的架構 20 圖 6、沒有競爭存取時段的超級訊框的架構 21 圖 7、有競爭存取時段的超級訊框的架構 21 圖 8、使用信標模式傳送資料到協調者的步驟 22 圖 9、使用無信標模式的網路中傳送資料到協調者的步驟 23 圖 10、使用信標模式傳送資料到終端節點的步驟 24 圖 11、使用無信標模式傳送資料到終端節點的步驟 25 圖 12、星狀拓樸結構圖 30 圖 13、樹狀拓樸結構圖 31 圖 14、網狀網路拓樸結構圖 32 圖 15、Cskip 演算法應用範例 37 圖 16、ZigBee網狀網路路由流程 42 圖 17、ZigBee網路環境node0要傳送資料到node4圖示 44 圖 18、ZigBee自動網路拓樸示意圖 46 圖 19、具電量感知之網路拓樸 47 圖 20、ZigBee網路協調者開機示意圖 51 圖 21、網路協調者發送Beacon示意圖 52 圖 22、ZigBee網路設備加入節點示意圖 52 圖 23、ZigBee網路設備加入節點及傳送資料示意圖 53 圖 24、加入ZigBee網路後之電量及子節點數資訊 54 圖 25、ZigBee設備加入網路示意圖 55 圖 26、D節點收到母節點Beacon 55 圖 27、ZigBee節點加入網路及更新 57 圖 28、子節點連線發生碰撞 58 圖 29、碰撞避免機制 59 圖 30、電量感知之建立與排程機制之演算法 60 表目錄 表 1、IEEE802.15.4的基本規格 8 表 2、ZigBee詳細頻段定義 12 表 3、物理層協定資料格式 13 表 4、FFD及RFD裝置之整理 16 表 5、路由表(Routing Table)的格式 40 表 6、路由發現表(Route Discovery Table)的格式 40 表 7、鄰點表(Neighbor Table)的格式 41 表 8、具有電量標記之鄰點表 50 表 9、具電量感知之拓樸排程符號表 56[[note]]學號: 700410045, 學年度: 10