王惠清，周 雷，王 靜/Wang Huiqing，Zhou Lei，Wang Jing

（1．瀘州醫(yī)學院現代教育技術中心 瀘州646000；2.中南大學信息科學與工程學院 長沙410083）

1 引言

ZigBee網絡是一種近距離的無線傳感網絡，具有低數據量、低能耗、靈活組網的特點，在局域區(qū)域中使用廣泛。ZigBee 是建立在IEEE 802.15.4 標準的基礎上，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現通信[1]。2003年12月，IEEE 正式發(fā)布了該技術物理層和媒體接入層（MAC）所采用的標準協(xié)議，即IEEE 802.15.4 協(xié)議標準，作為ZigBee 技術的網絡層和媒體接入層的標準協(xié)議。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4 定義的物理層和MAC的基礎上，定義了網絡層和應用層，正式發(fā)布了基于IEEE 802.15.4的ZigBee 標準協(xié)議[2]。本文在分析ZigBee網絡配置、組網和網絡拓撲結構的基礎上，對比常用的幾種ZigBee網絡路由算法，并且利用Matlab 軟件對其網絡性能進行仿真實驗。

2 ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee網絡層支持3 種拓撲結構： 星型拓撲、樹型拓撲和網狀型拓撲[3]。其拓撲結構如圖1所示。星型拓撲網絡主要為一個節(jié)點與多個節(jié)點的通信設計； 樹型拓撲網絡采用基于信標的方式進行通信，使用分級路由策略來傳送控制信息和數據；網狀型拓撲網絡是一種骨干網，由若干個FFD 節(jié)點連接在一起組成。在網狀型拓撲結構中，網絡節(jié)點之間進行通信需要預先設定一個節(jié)點作為整個ZigBee網絡的協(xié)調點。

圖1 ZigBee網絡拓撲結構

3 ZigBee網絡組網

ZigBee網絡的組網分為以下幾個步驟。

①初始化ZigBee網絡環(huán)境并將網絡設備節(jié)點加入到ZigBee網絡，網絡初始化的主要工作是確定ZigBee的節(jié)點協(xié)調點。

②為了避免節(jié)點干擾，需要對信道進行掃描，以準確獲取節(jié)點信息。

③對網絡的節(jié)點ID 進行設置，獲取合適的信道后，協(xié)調器選取一個標識符作為網絡標識符（PAN ID），PAN ID 在信道中必須唯一，且不能為廣播地址，這樣就實現了ZigBee 網狀網絡的初始化。

④最后將選取的設備節(jié)點加入ZigBee網絡中，主要有兩種節(jié)點加入情況：一種情況是有新的節(jié)點需要加入網絡；另一種情況是已失效的節(jié)點重新喚醒，申請加入網絡。第一種需要原來保存的路由信息向父節(jié)點發(fā)起申請； 第二種則需要FFD網絡節(jié)點向協(xié)調器發(fā)出連接請求，協(xié)調器根據實際網絡情況決定是否允許其連接，建立連接后，才能實現數據的收發(fā)。

ZigBee網絡組網時，節(jié)點網絡地址的獲得基于樹型地址分配機制[4]，其主要步驟為：ZigBee網絡中選定的協(xié)調器需要建立一個新的網絡，首先利用樹形分配算法給網絡分配地址0，網絡深度Depth0，新節(jié)點i 加入網絡并且與節(jié)點k 連接，這里，節(jié)點k 稱為節(jié)點i的父節(jié)點。節(jié)點k 本身的網絡地址為Ak，網絡深度為Depthi=Depthk+1。ZigBee網絡自身的協(xié)調器節(jié)點深度定義為0，作為根節(jié)點，且它的子節(jié)點深度定義為1。父節(jié)點k 為子節(jié)點i 分配網絡地址的關系為

若新增加的子節(jié)點為FFD 設備，并且為路由節(jié)點，則給它分配網絡地址

4 ZigBee 路由算法

ZigBee網絡層支持Tree、AODV 和EHRP 等多種路由協(xié)議，ZigBee網絡進行路由選擇主要有以下幾個步驟。

①ZigBee網絡源節(jié)點以廣播的方式發(fā)送路由請求報文。

②目的節(jié)點在網絡報文中接收到請求報文后，發(fā)送響應回答報文。

③路由路徑上的網絡節(jié)點對收到的響應回答報文進行計算和分析，得到所有路由路徑的跳數和數據時延。

④將計算和分析后的最優(yōu)路徑信息記錄到此路徑網絡節(jié)點的路由表中。

考慮到ZigBee網絡低能耗和簡單配置等各項特點，對ZigBee網絡中的典型路由算法，如Tree算法、AODV算法[5]、EHPR算法、Cluster-Tree+AODVjr算法等進行對比分析，在此基礎上對這些算法進行改進和完善，使其適應不同的網絡環(huán)境。

4.1 Tree 路由算法

Tree 型路由機制主要包括樹形地址的分配和樹形地址的路由選擇，其Tree 型路由算法的核心就是尋找網絡中源節(jié)點到目的節(jié)點之間的路由路徑。例如，設某路由節(jié)點向目的地址為D的節(jié)點發(fā)送報文，其中，A 為路由節(jié)點的網絡地址，d 為網絡深度，判斷目的節(jié)點位置的表達式為

若當前節(jié)點是目的節(jié)點的祖先節(jié)點，則當前節(jié)點的下一跳地址為

Tree 路由算法的優(yōu)點主要是通過簡單的路由計算便可獲得節(jié)點的數據傳輸路徑，且需要的路由開銷小，節(jié)點功耗低以及網絡節(jié)點維護簡單；缺點主要是層次低的節(jié)點會成為祖先節(jié)點，其作為數據傳輸的路由路徑的可能性大，隨著網絡規(guī)模逐漸增大，拓撲結構樹中根節(jié)點附近的路由數據負載會越來越嚴重，進而造成網絡擁塞和延遲，最終導致網絡的整體性能降低。

4.2 AODV 路由算法

DSDV 協(xié)議是一個基于傳統(tǒng)的BellmanFord 路由機制的表驅動算法，被認為是最早的無線自組網絡路由協(xié)議。DSDV 在傳統(tǒng)Distance-Vector算法的基礎上采用了序列號機制，用于區(qū)分路由的新舊程度，防止Distance-Vector算法可能產生的路由環(huán)路。DSDV 采用時間驅動和事件驅動技術控制路由表的傳送，即每個移動節(jié)點在本地都保留一張路由表，包括所有有效目的節(jié)點、路由跳數、目的節(jié)點路由序列號等信息，目的節(jié)點路由序列號用于區(qū)別有效和過期的路由信息，以避免環(huán)路的產生[6]。

AODV 路由協(xié)議在DSDV 協(xié)議的跳路由、序列號、定期廣播機制的基礎上，加入了DSR 按需路由發(fā)現和維護機制。AODV 路由算法在此基礎上有所改進，主要是引入路由表，在網絡節(jié)點的路由表中保存路由信息，減少網絡中廣播的次數。AODV算法作為無線傳感網絡中的經典算法，運用十分廣泛，算法復雜度高，消耗的網絡資源多。針對這種情況，對其路由算法進行改進，涉及以下幾個方面：簡化了路由表的項目，刪除了路由跳數和節(jié)點的先驅節(jié)點項；簡化了路由路徑的查詢過程，只授權網絡的目的節(jié)點對請求數據幀發(fā)送響應；改進了路由維持的機制，若源節(jié)點在時鐘定時器內無法接收到目的節(jié)點的確認幀，路由算法重新對路徑進行計算，規(guī)劃新的路由路徑； 改進了路由環(huán)路形成的條件，基于AODV 路由算法所需開銷小，對其運用最優(yōu)化的原理，使用節(jié)點序列號對路由更新情況進行區(qū)分，而且目的節(jié)點僅響應RREQ 報文分組。故改進后的AODV 路由算法開銷更小、路由路徑更短。

4.3 EHRP 路由算法

EHRP 路由算法是在Tree 路由算法的基礎上進行改進，以適應動態(tài)變化的網絡環(huán)境。Tree 路由算法的路由選擇只適用于父節(jié)點與子節(jié)點的路由選擇，而EHRP 路由算法在此基礎上增加了路由尋址功能，并在網絡節(jié)點中增加了一個路由鄰接表，路由選擇過程中EHRP 路由算法先按照Tree 路由算法計算路由開銷S1，然后在鄰接路由表中計算源節(jié)點到目的節(jié)點的路由開銷S2，最后判斷S1和S2+1的大小，將分組發(fā)送到開銷較小的路由節(jié)點上，后續(xù)的節(jié)點類似，直到到達目的節(jié)點。EHPR算法的路由開銷小，選擇最短路徑進行數據報轉發(fā)。

5 算法比較及仿真

算法的對比分析采用Matlab 軟件模擬仿真，其過程為：首先組建一個仿真ZigBee網絡，在ZigBee組網實驗中，選取70 個網絡節(jié)點，從分布在網絡中的70 個節(jié)點中，選取出一個ZigBee網絡的協(xié)調節(jié)點，同時，還需要選擇40 個路由器節(jié)點用來轉發(fā)分組，30 個連接到網絡中的設備節(jié)點，用來實現設備的連通性，其節(jié)點分布情況如圖2所示。組網過程中，運用Tree 型路由拓撲結構分配節(jié)點地址，其ZigBee網絡組網結果如圖3所示。

圖2 ZigBee網絡節(jié)點分布情況

圖3 ZigBee網絡節(jié)點組網結果

對比分析相同的源節(jié)點和目的節(jié)點的路由選擇算法，對網絡中的節(jié)點分別采用Tree 路由算法、EHRP 路由算法和AODV 路由算法，然后計算路由路徑長度。由圖4 可知，Tree 路由算法路徑最長，EHRP 路由算法次之，AODV 路由算法路徑最短。通過對3 種路由算法的對比分析可知，Tree 路由算法路徑的建立可通過計算網絡節(jié)點的地址得到；EHRP 路徑的建立則需要建立鄰接表，然后對節(jié)點路徑進行計算和比較，最后獲得最優(yōu)路徑；AODV 路由算法路徑的建立，首先需要建立路由表，即自適應路由，通過目的節(jié)點的反饋信息建立路由路徑，最后獲得最短路徑。

圖4 3 種路由算法的路由路徑

綜合分析可知，從節(jié)點能量消耗和存儲使用角度來看，Tree 路由算法節(jié)點能量耗費最少，EHRP 路由算法的存儲空間消耗較少，AODV 路由算法的性能最佳。然而在實際的網絡環(huán)境中，需要依據節(jié)點的能量消耗、時延和負載均衡等各項性能指標選擇最佳的路由算法。一般而言，ZigBee網絡依據設備節(jié)點和直接連接的路由節(jié)點進行通信的情況以及當路由節(jié)點因能量消耗無法進行主動路由的情況，均采用“Cluster-Tree +AODV”混合的路由算法，可以使網絡的性能達到最優(yōu)。

6 結束語

本文主要介紹了ZigBee網絡的體系結構和組網過程，對ZigBee網絡常用的幾種路由算法進行了分析，重點對Tree算法、EHPR算法和AODV算法的路由開銷、功耗進行對比分析。最后，對ZigBee網絡中的源節(jié)點和目的節(jié)點分別運用Tree 路由算法、EHRP 路由算法和AODV 路由算法進行模擬仿真，計算路由路徑。

實驗結果顯示，根據具體的節(jié)點能量消耗、數據傳輸時延和數據負載等各項網絡性能指標選擇合適的路由算法，才能使網絡性能達到最佳。因此，隨著無線傳感網絡的發(fā)展，ZigBee 技術被廣泛應用于各個領域的生產生活中，如智能電網、智能家居等。

[1]ZigBee specification[EB/OL].http://www.zigbee.org.

[2]劉麗鈞，童麗麗.ZigBee 技術網絡層的路由算法分析[J].計算機與信息技術，2008，（1）.

[3]ZigBee Alliance.ZigBee architecture overview[EB/OL].http://www.zigbee.org/ en/events/documents，2005.

[4]JAE Y H，SUNGHYUN C，WOOK H K.EHRP:enhanced hierarchical routing protocol for ZigBee mesh networks[J].IEEECommunications Letters，2007.

[5]杜煥軍，張維勇.ZigBee網絡的路由協(xié)議研究[J].合肥工業(yè)大學學報，2008，31（10）： 1618-1621.

[6]趙新偉,鄭洪飛.Ad hoc網絡路由協(xié)議分析與仿真[J].計算機安全，2011，（7）.