徐潔 黃虎

【摘要】網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議是ZigBee協(xié)議規(guī)范的研究重點(diǎn)之一，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)的能量資源、計(jì)算能力和帶寬都非常有限，路由算法優(yōu)化與否對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能有著至關(guān)重要的作用。從控制RREQ分組以及能量均衡的角度出發(fā)，對(duì)AODVjr算法提出了改進(jìn)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，將改進(jìn)的算法與原AODVjr算法進(jìn)行性能參數(shù)的比較分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)后的算法的有效性。

【關(guān)鍵詞】ZigBee路由算法AODVjr無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

一、引言

近年來(lái)，作為在低速率的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)中最受矚目的技術(shù)之一，ZigBee以其低成本、低功耗、低速率、高可靠性等特性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事、智能家居等需要低功耗、低成本，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量要求不高的無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用場(chǎng)合[1]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層（NWK）介于MAC層和應(yīng)用層之間，是由ZigBee聯(lián)盟制定的。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是確保ZigBee的MAC層能正常工作，并且提供適合的服務(wù)接口給應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必要的功能服務(wù)實(shí)體用于向應(yīng)用層提供接口：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體[1-2]。

NWK主要功能有：（1）加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；（2）幀的安全機(jī)制管理；（3）根據(jù)路由發(fā)送幀到目的地址；（4）發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由；（5）發(fā)現(xiàn)單跳鄰居節(jié)點(diǎn)和維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)信息。

二、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及地址分配

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分別為中心協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心，是協(xié)調(diào)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組織、維護(hù)和管理工作，必須由FFD（全功能設(shè)備）構(gòu)成；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)功能，必須由FFD構(gòu)成，但路由節(jié)點(diǎn)必須由協(xié)調(diào)器控制；終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)自身數(shù)據(jù)的發(fā)送并接收其他節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，可以由FFD或RFD（精簡(jiǎn)功能設(shè)備）構(gòu)成。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星型、網(wǎng)狀型和樹(shù)型三種拓?fù)浣M織形式。由于樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了星型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，且具有較好的擴(kuò)展性，所以ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般采用簇樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織節(jié)點(diǎn)。中心協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后就創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置自身網(wǎng)絡(luò)地址為0，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)選擇相應(yīng)的有路由功能的父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，形成父子關(guān)系。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，該節(jié)點(diǎn)獲得父節(jié)點(diǎn)分配的一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。

規(guī)定每個(gè)父節(jié)點(diǎn)最多可以連接Cm個(gè)子節(jié)點(diǎn)，這些子節(jié)點(diǎn)中最多可以有Rm個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的最大深度為L(zhǎng)m，Cskip（d）是網(wǎng)絡(luò)深度為d的父節(jié)點(diǎn)為其子節(jié)點(diǎn)分配的地址之間的偏移量，它的值按公式（1）計(jì)算，分配給第k個(gè)子路由節(jié)點(diǎn)的地址Ak滿(mǎn)足式（2），分配給第n個(gè)子路由器節(jié)點(diǎn)的地址Ak滿(mǎn)足式（3）。其中，Afather代表父節(jié)點(diǎn)的地址。

2.2Cluster-tree路由算法

Cluster-tree算法根據(jù)樹(shù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)分組，如果終端節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，則直接將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)，由父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

如果一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)地址為D的目的節(jié)點(diǎn)，已知該路由器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和深度分別為A和d。

首先，該路由器節(jié)點(diǎn)會(huì)依據(jù)下述表達(dá)式判斷目的節(jié)點(diǎn)是否是其后裔節(jié)點(diǎn)：

RREQ分組。

此外，由于網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)量過(guò)大，特別是距離中心協(xié)調(diào)器越近的節(jié)點(diǎn)，從而提前耗盡自身能量，容易造成網(wǎng)絡(luò)分割，影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，縮短了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文從控制RREQ分組以及能量均衡的角度出發(fā)，提出一種改進(jìn)的算法，有效的限制AODVjr路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的RREQ的廣播，延遲網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)的時(shí)間，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

3.2改進(jìn)的路由算法M_ZBR

3.2.1冗余RREQ分組的控制

改進(jìn)的路由算法M_ZBR在路由發(fā)現(xiàn)階段，利用Cluster-tree結(jié)構(gòu)及算法的特點(diǎn)，根據(jù)公式（4）判斷出目的節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，從而判斷出RREQ分組轉(zhuǎn)發(fā)最佳的大致方向。因此，M_ZBR算法在RREQ分組中增加一個(gè)標(biāo)志位flag。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)時(shí)，flag=0，即表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)不宜轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ分組；當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)時(shí)，flag=1，即表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)不宜轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ分組。

另外，從樹(shù)結(jié)構(gòu)可以看出，若在使用Cluster-tree路由算法時(shí)，可能存在的最長(zhǎng)路徑應(yīng)是網(wǎng)絡(luò)最大深度的2倍。由此，M_ZBR算法通過(guò)設(shè)定最大傳輸跳數(shù)也可以減少部分冗余的RREQ分組，本算法中，當(dāng)跳數(shù)hops>2Lm時(shí)，節(jié)點(diǎn)便丟棄該RREQ分組。

3.2.2節(jié)點(diǎn)能量的控制

M_ZBR算法根據(jù)ZigBee路由算法的特點(diǎn)，對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)采用了能量控制機(jī)制，這對(duì)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，延遲死亡節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)的時(shí)間都是十分必要的。因此，M_ZBR算法定義了節(jié)點(diǎn)最小路由能量Emin，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量低于Emin時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)將不再發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)，即不再采用AODVjr路由算法。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，越靠近中心協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)傳輸就越頻繁，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信來(lái)說(shuō)也就越重要，所以Emin的能量控制應(yīng)與節(jié)點(diǎn)深度成反比，深度越小節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有相對(duì)較大的最小路由能量，因此，將Emin定義為：

其中，Elimit為節(jié)點(diǎn)正常工作需要的最小能量值，為控制系數(shù)，可以根據(jù)需要人為的控制Emin的大小，d為節(jié)點(diǎn)的深度。

此外，M_ZBR算法依據(jù)節(jié)點(diǎn)最小路由能量的定義，設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量警戒值Ewarning：

其中，k為大于1的控制系數(shù)。

依據(jù)以上節(jié)點(diǎn)能量閾值的設(shè)置，M_ZBR算法在RREQ分組中增加了能量標(biāo)志位energy_flag，用于統(tǒng)計(jì)RREQ分組傳輸過(guò)程中統(tǒng)計(jì)處于能量警戒區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3.2.3算法流程

（1）當(dāng)RFD節(jié)點(diǎn)要給網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，直接采用Cluster-tree算法，即將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)，由其父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。（2）當(dāng)FFD節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先查找路由表中有無(wú)到目的節(jié)點(diǎn)的路由表項(xiàng)，若有則按路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，若無(wú)則啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。（3）在路由發(fā)現(xiàn)階段，任意節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組時(shí)，首先檢測(cè)本節(jié)點(diǎn)是不是該RREQ分組的目的節(jié)點(diǎn)，如果不是，則轉(zhuǎn)（4）；若是，則轉(zhuǎn)（9）。（4）判斷節(jié)點(diǎn)自身的剩余能量，如果剩余能量小于節(jié)點(diǎn)最小路由能量Emin則直接丟棄RREQ分組，否則轉(zhuǎn)（5）。（5）查看RREQ分組中的跳數(shù)值，若hops>2Lm，則丟棄RREQ分組，否則轉(zhuǎn)（6）。（6）查看RREQ分組中的標(biāo)志位flag，若flag=0，轉(zhuǎn)（7），若flag=1，則轉(zhuǎn)（8）。（7）flag=0表明本節(jié)點(diǎn)不宜轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組，需判斷本節(jié)點(diǎn)是否為前一跳的父節(jié)點(diǎn)，若是，則丟棄RREQ分組；若不是，則判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)，如果是，flag的值繼續(xù)為0，直接轉(zhuǎn)發(fā)分組，若目的節(jié)點(diǎn)是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)，則設(shè)置flag=1。（8）flag=1表明本節(jié)點(diǎn)不宜轉(zhuǎn)發(fā)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組，需判斷本節(jié)點(diǎn)是否為前一跳的子節(jié)點(diǎn)，若是，則丟棄該分組；若不是，則需判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后裔節(jié)點(diǎn)，如果是，則設(shè)置flag=0，若目的節(jié)點(diǎn)不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)，flag的值繼續(xù)為1，直接轉(zhuǎn)發(fā)分組。（9）當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組時(shí)，判斷自身剩余能量，若小于Emin，直接回復(fù)RREP；否則將收到的分組放入緩存區(qū)，在緩存時(shí)間t內(nèi)，比較各RREQ分組的能量標(biāo)志位energy_flag，選擇energy_flag最小的RREQ分組且回復(fù)RREP。

四、仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)算法的實(shí)際效果，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比原來(lái)的AODVjr算法，分別比較了死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及總能量損耗，仿真結(jié)果證明了算法的可行性和有效性。

圖3是原AODVjr算法與改進(jìn)算法死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)的比較，曲線(xiàn)（1）是原AODVjr算法隨數(shù)據(jù)流量增加而變化的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)，曲線(xiàn)（2）是改進(jìn)后的算法的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)流量較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)能耗就較少，節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)相對(duì)就比較少。當(dāng)數(shù)據(jù)流量增加時(shí)，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)也會(huì)增加，改進(jìn)的算法通過(guò)能量標(biāo)志位的判斷，選取能量標(biāo)志位最小的RREQ分組并回復(fù)，明顯比原算法的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的緩慢。

圖4比較了改進(jìn)算法與原算法的網(wǎng)絡(luò)總能量耗損。曲線(xiàn)（1）是原AODVjr算法隨數(shù)據(jù)流量增加而變化的網(wǎng)絡(luò)總能量耗損，曲線(xiàn)（2）是改進(jìn)后的算法的網(wǎng)絡(luò)總能量耗損。顯然，改進(jìn)的AODVjr算法通過(guò)控制了RREQ分組減少了網(wǎng)絡(luò)的耗能。

五、結(jié)論

本文主要針對(duì)ZigBee的路由協(xié)議進(jìn)行分析，基于能量均衡對(duì)ZigBee現(xiàn)有的路由算法AODVjr提出了改進(jìn)，通過(guò)限制路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的RREQ的廣播，很好的延遲網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)的時(shí)間，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真實(shí)驗(yàn)將原算法和改進(jìn)的算法進(jìn)行了比較，改進(jìn)的路由算法有效地減少了總耗能與死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)。

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