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        ZigBee中Cluster-Tree路由算法改進研究

        2011-07-07 08:48:00鄒國霞
        制造業(yè)自動化 2011年13期
        關鍵詞:網(wǎng)絡地址個數(shù)路由

        鄒國霞,李 燕

        (桂林航天工業(yè)高等專科學校,桂林 541004)

        0 引言

        無線傳感器網(wǎng)絡是由大量無處不在的,具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設在監(jiān)控區(qū)域而組成的自組織網(wǎng)絡,在工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、家庭網(wǎng)絡、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫(yī)療設備等多個領域具有廣闊的應用前景和較高的應用價值。ZigBee是IEEE 802.15.4標準基礎上的無限個域網(wǎng)的短距離無線通信技術(shù),它擁有低成本、低功耗、低復雜度、網(wǎng)絡容量大、可靠性高等方面的優(yōu)勢[1~3]。

        在ZigBee網(wǎng)絡中,Cluster-tree路由算法為目的地址提供了簡單但可靠的路由[4~6]。該算法采用了網(wǎng)絡地址分配機制,節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點的網(wǎng)絡地址來計算下一跳節(jié)點。雖然該算法具有簡單并且不需要存儲路由表等優(yōu)點,但也存在一些缺點,比如即使目的節(jié)點就在發(fā)送節(jié)點附近,數(shù)據(jù)包也必須沿Cluster-tree拓撲傳送到目的節(jié)點,而不能直接發(fā)送到目的節(jié)點。為此,靠近根部的節(jié)點可能會因為業(yè)務量過大而過早耗盡電池能量。針對這些情況,本文對Cluster-tree路由算法進行了改進,引入路由表,使局部路由最優(yōu)化,從而減少了網(wǎng)絡的總體能量消耗,延長了網(wǎng)絡的壽命。

        1 ZigBee Cluster-tree路由算法

        IEEE 802.15.4定義了2種物理設備,全功能設備(Full Function Device,FFD)和精簡功能設備(Reduced Function Device,RFD)[7,8]。FFD可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備,能與RFD和其他FFD進行通訊。RFD只能作為終端設備,只需要較少的資源和存儲空間,成本比FFD低很多。在ZigBee網(wǎng)絡中,定義了三種邏輯設備類型:ZigBee協(xié)調(diào)器(簡稱ZC)、ZigBee路由器、ZigBee終端設備。

        1.1 ZigBee地址分配機制

        加入ZigBee網(wǎng)絡的節(jié)點通過IEEE 802.15.4 MAC層提供的關聯(lián)過程組成一顆邏輯Clustertree,當網(wǎng)絡中的節(jié)點允許一個新節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡時,它們之間就形成了父子關系,每個進入網(wǎng)絡的節(jié)點都會得到父節(jié)點為其分配的一個在該網(wǎng)絡中唯一的網(wǎng)絡地址。規(guī)定每個父節(jié)點最多可以連接Cm個子節(jié)點, 這些子節(jié)點中最多可以有Rm個路由節(jié)點,網(wǎng)絡的最大深度為Lm。Cskip(d)是網(wǎng)絡深度為d的父節(jié)點為其子節(jié)點分配的地址之間的偏移量。Cskip(d)的計算表達式為(1)式

        設置ZC的網(wǎng)絡地址為0 ,其網(wǎng)絡深度Depth0 =0。假設父節(jié)點k的深度為d,地址為Ap。如果新加入的節(jié)點是RFD ,并且該節(jié)點是其父節(jié)點的第n個RFD節(jié)點,則父節(jié)點為該節(jié)點分配網(wǎng)絡地址:

        如果新加入的節(jié)點是FFD,并且該節(jié)點是其父節(jié)點的第k個FFD節(jié)點。則父節(jié)點為該節(jié)點分配網(wǎng)絡地址:

        ZigBee網(wǎng)絡路由基于上面的分布式網(wǎng)絡地址分配機制構(gòu)建,支持Cluster-Tree路由算法、AODVjr路由算法及兩者混合模式的路由算法。

        1.2 Cluster-tree路由算法

        在該算法中,節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點的網(wǎng)絡地址來計算分組的下一跳,假設地址為A,深度為d的ZigBee路由節(jié)點收到目的節(jié)點地址為D的數(shù)據(jù)幀,路由節(jié)點首先通過(4)式

        判斷該目的節(jié)點是否是它的后代節(jié)點。

        如果目的節(jié)點是其后裔節(jié)點,則下一跳節(jié)點地址為(5)式。

        否則,如果目的節(jié)點不是其后裔節(jié)點,則下一跳節(jié)點為該節(jié)點的父節(jié)點。

        2 問題的提出

        ZigBeeCluster-tree路由算法按Cluster-tree型結(jié)構(gòu)分層遍歷,算法簡單且查找目的節(jié)點的速度快,但是這種路由選擇不可能是最佳路由,而且ZC節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)大量的數(shù)據(jù),必須儲備充足的能量,但是就目前的技術(shù),電池的使用時間是有限制的,為此容易造成網(wǎng)絡分割,縮短網(wǎng)絡壽命。

        假設有如圖1所示的網(wǎng)絡,如果采用原始的Cluster-Tree路由算法,rfd[12]發(fā)送數(shù)據(jù)給rfd[14],需要4跳才能到達;rfd[12]發(fā)送數(shù)據(jù)給rfd[17],需要5跳才能到達。且都需要ZC進行轉(zhuǎn)發(fā),消耗了大量的ZC能量。如果考慮在無線信號覆蓋范圍內(nèi),信號可以直接從源地發(fā)送到目的地,則rfd[12]發(fā)送數(shù)據(jù)給rfd[14],需要2跳就能到達;rfd[12]發(fā)送數(shù)據(jù)給rfd[17],需要2跳就能到達。

        針對以上的問題,需要將鄰居表應用到Cluster-Tree路由算法中,減少Cluster-Tree路由算法的路由跳數(shù)和節(jié)約整體能量。

        圖1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

        3 改進算法設計

        3.1 鄰居表定義

        如果兩節(jié)點在一跳范圍內(nèi)可以直接通信,我們就說這兩個節(jié)點是鄰居。當一個ZigBee節(jié)點想要加入網(wǎng)絡時,它會以廣播的形式將請求連接的信息傳給其一跳通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點;收到請求連接信息的其它存在于已知網(wǎng)絡中的節(jié)點會給要求加入網(wǎng)絡的節(jié)點傳回一個信息;最后要求加入網(wǎng)絡的節(jié)點根據(jù)收到的信息選擇一個合適的父節(jié)點,再回傳一個加入信息并正式加入該網(wǎng)絡。

        在節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡時,相互傳送信息的過程中可以得知一跳范圍內(nèi)節(jié)點的一些基本信息,并將這些信息存放在鄰居表里。設計的鄰居表結(jié)點NbNode如圖2所示。

        圖2 鄰居表結(jié)點結(jié)構(gòu)體

        NbNode有三個域:

        AddNb:鄰居節(jié)點地址。

        Type:鄰居節(jié)點設備類型, 如果為FFD設備,既可以作為路由器也可以作為終端設備;如果為RFD設備,不具有路由功能,只進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

        Depth:鄰居節(jié)點的深度。

        3.2 改進算法描述

        算法分3步,具體方法如下:

        1)搜索目的子節(jié)點

        圖3 改進Cluster-Tree路由算法流程圖

        當一個節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)幀時,首先根據(jù)式(4)檢查目的地址D是否是它的一個后代節(jié)點,如果 D 是后代節(jié)點,沿著Cluster-tree型結(jié)構(gòu)將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應的子節(jié)點,如果D不是后代節(jié)點,轉(zhuǎn)向步驟(2) 。

        2)搜索鄰居表

        如果D與鄰居表表項中的AddNb相等,則直接發(fā)送給鄰居節(jié)點;如果D與鄰居表表項中的AddNb不相等,則看Type類型,只有當Type=“FFD”時,再利用式(4)檢查目的地址D是否是該鄰居節(jié)點的一個后代節(jié)點,如果D是其后代節(jié)點,將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到該鄰居節(jié)點,如果D不是其后代節(jié)點,轉(zhuǎn)向步驟(3) 。

        3)搜索下一條子節(jié)點

        如果A < D < A + Cskip(d-1),則下一跳地址為

        4)搜索祖先節(jié)點

        不滿足(1)-(3)條件時,將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給當前節(jié)點的父節(jié)點。

        5)重復(1)-(4)步驟

        具體流程如圖3所示。

        4 算法的仿真和分析

        仿真工具采用OMNET++4.1。網(wǎng)絡覆蓋面積為500*500m,網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目為30,網(wǎng)絡延遲為0,誤碼率為0,參照圖1網(wǎng)絡拓撲,設置Cm=6,Rm=4,Lm=4。為了簡化,ZC初始能量為30000J,,其他節(jié)點能量初始為20000J。仿真時間為60S。

        通過仿真實驗,對改進算法和傳統(tǒng)Cluster-tree路由算法進行比較,重點比較了節(jié)點能耗和平均跳數(shù)。

        4.1 節(jié)點能耗比較

        圖4中紅色表示ZC節(jié)點,其他的為FFD節(jié)點,橫坐標為時間,單位為秒,縱坐標為能量,單位為J。從圖中可以看出,改進Cluster-Tree路由算法中,ZC節(jié)點變化比較緩慢,仿真時間結(jié)束時剩余能量比Cluster-Tree路由算法多很多。其他的FFD節(jié)點,只有藍色和綠色代表的FFD節(jié)點能耗比原Cluster-Tree路由算法快,其它的FFD節(jié)點能耗都有所減少。

        圖4 Cluster-Tree路由算法改進前后節(jié)點能耗變化趨勢對比圖

        從整體上看,改進的Cluster-Tree路由算法整體能耗要小于原Cluster-Tree路由算法。

        4.2 節(jié)點跳數(shù)比較

        圖5 Cluster-Tree路由算法改進前后節(jié)點跳數(shù)變化趨勢對比圖

        圖5中線段的端點處表示此時RFD發(fā)送的信息已經(jīng)到達目的地,橫坐標表示時間,單位為S,縱坐標為跳數(shù)。從圖中可以看出,圖5(b)6跳個數(shù)約為15,圖5(a)6跳個數(shù)約為20;圖5(b)2跳個數(shù)約為16,圖5(a)2跳個數(shù)約為15;圖5(b)3跳個數(shù)為28,圖5(a)3跳個數(shù)為11;圖5(b)4跳個數(shù)約為18,圖5(a)4跳個數(shù)約為29;圖5(b)5跳個數(shù)約為36,圖5(a)5跳個數(shù)約為39。

        從整體上看,改進的Cluster-Tree路由算法節(jié)點跳數(shù)要小于原Cluster-Tree路由算法。

        綜合(1)(2)比較分析證實:改進的Cluster-Tree路由算法在減少路由跳數(shù)得同時節(jié)約了整體能量。

        5 結(jié)論

        針對Cluster-Tree路由算法存在的一跳節(jié)點可能需要多跳到達問題,將鄰居表引入進Cluster-Tree路由算法中,經(jīng)仿真實驗證明,改進的Cluster-Tree路由算法可以根據(jù)鄰居表有效的優(yōu)化路由,同時降低網(wǎng)絡整體能量消耗,特別是ZC的能量消耗,最終提高網(wǎng)絡的效率,延長網(wǎng)絡的存活時間。

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