趙立新，南楠

(三門峽職業(yè)技術學院 信息傳媒學院，河南 三門峽 472000)

ZigBee網(wǎng)絡是一種基于IEEE 802.15.4標準的低成本、低速率、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡，因其連接硬件設備要求低、廉價等特點被廣泛應用于各個自動化領域[1]。目前，多數(shù)論文的研究方向集中在網(wǎng)絡覆蓋率、功耗、數(shù)據(jù)廣播方法或路由算法的提高上，而這些研究的基礎都假設在ZigBee網(wǎng)絡具有良好的連通性。實際情況中，因無線傳感器節(jié)點多且隨機分布的特點，導致在互連過程中部分設備會成為孤立節(jié)點失去其通信功能，嚴重影響網(wǎng)絡的通信性能。本文提出了一種節(jié)點交換機制，促使每個節(jié)點都能重新建立連接，將盡可能多的節(jié)點加入到通信網(wǎng)絡中，使網(wǎng)絡獲得最佳的連通性，延長網(wǎng)絡的使用壽命。

1 無線傳感器網(wǎng)絡

ZigBee網(wǎng)絡中定義了三種類型的設備：ZigBee協(xié)調(diào)器 (ZC)、ZigBee 路由器 (ZR) 和 ZigBee 終端設備(ZED)。ZC負責啟動ZigBee網(wǎng)絡，接受ZR和ZED的連接請求，擴展ZigBee網(wǎng)絡。一個設備一般只能連接到一個協(xié)調(diào)器和路由器上。

ZigBee網(wǎng)絡常見拓撲結構類型有:星型、網(wǎng)狀和樹形[2]。在這些拓撲結構中，只有ZC或已經(jīng)加入網(wǎng)絡的ZR可以周期性發(fā)送信標幀傳輸信息通知其他節(jié)點，并判斷該節(jié)點是否能夠與孤立節(jié)點建立連接。若可以建立連接則成為父節(jié)點，并設置路由器和終端設備狀態(tài)為真。ZR或ZED 獲知可連接的ZC和ZR在其通信范圍內(nèi)，隨即發(fā)送加入請求，通過驗證后成為該節(jié)點的子節(jié)點。

ZigBee網(wǎng)絡中采用分布式地址分配機制，為網(wǎng)絡中的聯(lián)合節(jié)點分配網(wǎng)絡地址。每個設備都有一個地址空間來放置其子節(jié)點。同時定義三個參數(shù)來管理網(wǎng)絡：設備最多子節(jié)點數(shù)，設備最大深度，設備子路由器最大數(shù)。由于這些參數(shù)的限制，即使有些節(jié)點在通信范圍之內(nèi)，也會成為孤立節(jié)點而不能加入網(wǎng)絡[3]。有研究提出，假設在通信范圍內(nèi)存在有一個節(jié)點具有可接受子節(jié)點的能力，可通知通信網(wǎng)絡中節(jié)點其有可移動性，則具有潛在父節(jié)點，該父節(jié)點可以通過擴展連接過程來分離器可移動子節(jié)點并讓孤立節(jié)點加入，減少孤立節(jié)點數(shù)改善網(wǎng)絡的連通性。但如果潛在父節(jié)點收到多個孤立節(jié)點的連接請求，則因無法選擇而不能達到網(wǎng)絡最佳連通性。

2 問題描述

圖1 ZigBee網(wǎng)絡樹狀圖

圖1是一個ZigBee網(wǎng)絡的樹狀圖，在該網(wǎng)絡中，設置網(wǎng)絡參數(shù)為：路由器連接最大數(shù)2，子節(jié)點最大數(shù)3，路徑最大深度3。由于網(wǎng)絡參數(shù)的限制，節(jié)點C、D、E、K成為孤立節(jié)點，無法加入網(wǎng)絡。按照算法思路節(jié)點M沒有達到最大數(shù)，可以將L與N斷開現(xiàn)有連接，接入結點M上，此時節(jié)點K或節(jié)點C有可能加入到網(wǎng)絡中，如果節(jié)點K加入，則減少1個孤立節(jié)點，如果節(jié)點C加入網(wǎng)絡，則減少三個孤立節(jié)點，如何在算法中選擇一個合適的節(jié)點加入，即所要解決問題。

3 網(wǎng)絡連通性增強機制

為增強網(wǎng)絡連通性，將增強機制分為兩個階段實行：第一階段是從孤立節(jié)點中選取最有可能加入網(wǎng)絡的節(jié)點，并重構部分網(wǎng)絡以便能連接更多節(jié)點；第二階段則是斷開轉移節(jié)點以便接受更多節(jié)點過程。

斷開重構網(wǎng)絡結構提高網(wǎng)絡連通性，重點是子節(jié)點如何通知父節(jié)點其具有可移動性，在此提出使用告知提醒的方法。如可移動節(jié)點為ZR，在其MAC信標中添加以字段作為可移動標志，父節(jié)點接受子節(jié)點可移動信標后，將記錄添加到鄰表中，而ZED使用短消息通知父節(jié)點其可移動，父節(jié)點相繼添加記錄到鄰表中，同時運行擴展連接程序，接受新節(jié)點。父節(jié)點是否能接受新節(jié)點加入，需要在網(wǎng)絡信息庫中添加一項NSS，當NSS被設置為True時，可以接受更多子節(jié)點。所使用擴展程序描述如下：

(1)當NSS被設置為True時，其潛在父節(jié)點發(fā)布可接收更多子節(jié)點消息，反之，則發(fā)布不能接收節(jié)點消息；

(2)當潛在父節(jié)點同意子節(jié)點加入后，啟動最優(yōu)節(jié)點選擇機制：即如果請求節(jié)點為ZED設備，因其不能具有子節(jié)點的特點，選擇深度最小的ZED節(jié)點作為子節(jié)點；若請求加入節(jié)點為ZR節(jié)點，則父節(jié)點選擇具有最多子節(jié)點的ZR同意其加入；若請求加入節(jié)點既有ZR又有ZED,因ZED節(jié)點不能接受子節(jié)點，所以選擇ZR成為潛在父節(jié)點的子節(jié)點，但當ZED節(jié)點多于ZR節(jié)點時，則選擇深度最小的ZED節(jié)點作為子節(jié)點[4]；

(3)確定可加入節(jié)點后，分離出原有父節(jié)點的可移動子節(jié)點，父節(jié)點接受孤立節(jié)點成為新的子節(jié)點；

(4)更新鄰表設置；

(5)如檢測父節(jié)點仍具有可分離子節(jié)點，并在其通信范圍內(nèi)還有孤立節(jié)點，則轉至(1)繼續(xù)運行，如沒有則停止構成新的網(wǎng)絡結構。

上述擴展程序中要首先判斷父節(jié)點是否具有可分離節(jié)點，該節(jié)點是否能連入附近節(jié)點構成新的網(wǎng)絡結構，其次才是判斷是否允許新的節(jié)點加入，加入時是選擇ZR或ZED，最優(yōu)節(jié)點選擇機制的引入使重構網(wǎng)絡提高聯(lián)通性得到了很好的改善。

4 節(jié)點交換機制

分離節(jié)點重新加入網(wǎng)絡的過程稱為節(jié)點交換機制，該機制運行過程中定義一個新的關鍵字NUS添加到ZigBee 的網(wǎng)絡信息庫中，當關鍵字的值為True時，節(jié)點運行交換過程重新連入網(wǎng)絡中[5]。重新連入過程如圖2所示，即：

(1)當NUS設置為True，同時ZR連接節(jié)點的數(shù)量小于可接受路由器最大數(shù)量時，則該節(jié)點發(fā)布消息其可接收子節(jié)點，反之不能接收；

(2)當節(jié)點收到來自ZR的加入請求時，節(jié)點ZR以最大深度分離子ZED設備；

(3)ZR分離子節(jié)點成功后，選擇其有效通信范圍內(nèi)包含字節(jié)點最多的孤立節(jié)點接受加入，成為其新的自節(jié)點；

(4)如果節(jié)點發(fā)出請求，繼續(xù)步驟(1)。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡示例結構圖

根據(jù)上述理論，在圖2中，該結構包含四個孤立節(jié)點：K，C，D，E。設ZC最大子節(jié)點數(shù)為3，ZR最大子節(jié)點數(shù)為2，ZED最大深度為3。圖2中A、B為其潛在父節(jié)點，其原有L、N子節(jié)點斷開后可能連接到節(jié)點M上。啟動擴展連接過程后，首先斷開原有子節(jié)點L、N的連接，同時各自掃描其通信范圍內(nèi)子節(jié)點個數(shù)，因節(jié)點N具有兩個子節(jié)點，M節(jié)點只能添加一個子節(jié)點，所以接受N為其子節(jié)點，同時節(jié)點C與D、E一起加入節(jié)點B，構成新網(wǎng)絡。節(jié)點L 加入節(jié)點R為新節(jié)點，節(jié)點K連接到節(jié)點A成為其新的子節(jié)點。最終交換后的ZigBee網(wǎng)絡如圖3所示。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡重構圖

5 仿真實驗驗證

模擬真實環(huán)境，設模擬環(huán)境寬度為200m2范圍內(nèi)，每個節(jié)點傳輸直徑范圍為30米，在此范圍內(nèi)采用連接比率來檢測算法的可行性。ZR接入數(shù)為N1，ZED接入數(shù)為N2，ZC接入數(shù)為N3，總結點數(shù)為N，則連接比率J為：

根據(jù)上述表達式，設定實驗環(huán)節(jié)中ZC個數(shù)為1，ZR個數(shù)為40，ZED個數(shù)為0-60，同時ZC，ZR，ZED最大連接數(shù)分別為4、3、2。實驗時，所有設備都處于靜態(tài)，ZC位于環(huán)境中心，其余隨機部署。如下表所示。

孤立點個數(shù)表

圖4 算法連接比率圖

上表為在ZigBee協(xié)議下和改進算法下孤立節(jié)點個數(shù)，圖4為連接比率實驗結果對比圖。在試驗中ZR的數(shù)目保持不變，ZED的數(shù)目以10 為單位增加，從圖4中可以看到，當節(jié)點總個數(shù)增加到65左右時，連通達到飽和，所有連接比率開始下降，但改進算法的連接比率下降緩慢，且整體上改進算法的連接比率一直都比ZigBee協(xié)議下高出2%-9%。試驗表明，在改進算法下，ZR可以連接更多的子節(jié)點，減少孤立節(jié)點，有效改善ZigBee網(wǎng)絡環(huán)境的連通性。