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[導讀]摘要:通過分析ZigBee協(xié)議中Cluster-Tree和AODVjr算法的優(yōu)缺點,提出一種基于Cluster-Tree+AODVjr的優(yōu)化路由算法。該算法利用ZigB ee協(xié)議中的鄰居表,通過定義分區(qū)來確定目的節(jié)點的范圍,從而控制廣播RREQ分組的跳數(shù)

摘要:通過分析ZigBee協(xié)議中Cluster-Tree和AODVjr算法的優(yōu)缺點,提出一種基于Cluster-Tree+AODVjr的優(yōu)化路由算法。該算法利用ZigB ee協(xié)議中的鄰居表,通過定義分區(qū)來確定目的節(jié)點的范圍,從而控制廣播RREQ分組的跳數(shù),防止無效的RREQ泛洪。此優(yōu)化算法能夠有效地減小路由跳數(shù),縮短傳輸時延,減少網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點的數(shù)量,提高數(shù)據(jù)傳送的成功率。
關(guān)鍵詞:ZigBee;路由算法;Cluster-Ttee+AODVjr;鄰居表;分組

引言
    無線通信和嵌入式微傳感器技術(shù)的快速發(fā)展促進了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的崛起。ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4無線標準制定,包括應用層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層等,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護的功能。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點的能量是有限的,如果節(jié)點在最后因為自身的能量消耗殆盡而死亡,將會對整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能造成很大影響。因此,在實際應用中,根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)情況來選擇最符合應用需求的路由協(xié)議,讓路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲選擇合適的路徑,平均分布節(jié)點的傳輸能量,降低網(wǎng)絡(luò)的功耗是網(wǎng)絡(luò)層必須要考慮的任務。

1 ZigBee路由算法研究
   
依據(jù)設(shè)備的能力,ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以分為全功能設(shè)備(Full Function Device,F(xiàn)FD)和半功能設(shè)備(Reduced Function Device,RFD)。FFD能轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)幀,RFD則不能。當FFD加入一個網(wǎng)絡(luò)時,它可以作為協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器會周期性地廣播數(shù)據(jù)幀,周圍的RFD能夠發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò),形成一個星型拓撲網(wǎng)絡(luò)。在星型拓撲中,協(xié)調(diào)器負責控制整個網(wǎng)絡(luò),所有終端設(shè)備都直接與協(xié)調(diào)器通信,并且由它維護。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)層還支持樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。樹型網(wǎng)絡(luò)采用分級路由的策略在網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)和控制信息,而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)則可以進行點對點的通信。在樹型網(wǎng)絡(luò)中,根節(jié)點(協(xié)調(diào)器節(jié)點)和所有的內(nèi)部節(jié)點(路由器節(jié)點)是FFD,而RFD只能作為葉子節(jié)點(終端節(jié)點)。當協(xié)調(diào)器或路由器加入網(wǎng)絡(luò)時,它必須被分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。
1.1 網(wǎng)絡(luò)地址分配
    ZigBee協(xié)議規(guī)范使用一個分布式地址方案分配網(wǎng)絡(luò)地址,它設(shè)計為給每個潛在父節(jié)點提供一個有限的網(wǎng)絡(luò)地址子塊。當一個設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后,其父節(jié)點給該節(jié)點自動分配一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。
1.2 ZigBee路由算法
   
網(wǎng)絡(luò)層支持Cluster-Tree、AODVjr和Cluster-Tree+AODVjr算法(以下簡稱C+A算法)等多種路由算法,因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議兼具樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的特性。
1.2.1 Cluster-Tree算法
   
樹路由機制是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點間的父子關(guān)系來實現(xiàn)路由的。如果目的地址設(shè)備不是該路由器的子孫,則直接將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給該路由器的父節(jié)點,其父節(jié)點將按照同樣的步驟進行路由。
1.2.2 AODVjr算法
    AODVjr是對AODV算法的一種簡化改進,當源節(jié)點要尋找到達目的節(jié)點的路徑時,先向其鄰居節(jié)點組播RREQ分組。收到該分組的鄰居節(jié)點若具備路由能力,則建立指向源節(jié)點的反向路由回復,同時繼續(xù)向自己的鄰居節(jié)點組播該RREQ分組。若不具備路由能力,則通過Cluster-Tree路由算法將該分組交由其子孫節(jié)點或父節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。當目的節(jié)點接收到此RREQ分組后,通過單播的方式向源節(jié)點回復RREP分組,同時,所有接收到此RREP分組的節(jié)點都將更新記錄自己的鄰居表,路由建立成功。實驗證明,AODVjr算法在保持了AODV原始功能的基礎(chǔ)上,控制開銷比AODV算法更小,因此更節(jié)能。
1.2.3 Cluster-Tree+AODVjr算法
   
在此算法中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點被分成了4類:Coordinator、RN+、RN-和RFD。其中RN+具有足夠的存儲空間和能力來進行AODVjr協(xié)議;而RN-則因存儲空間受限,不能夠進行AODVjr協(xié)議。Coordinator、RN+、RN-都具有路由功能,在通信時,如果目的節(jié)點不是鄰居節(jié)點,RN+將會啟動AODVjr,主動查找到達目地節(jié)點的最佳路徑;RN-節(jié)點只能通過樹路由算法來尋找下一跳的節(jié)點。仿真證明,采用Cluster-Tree和AODVjr相結(jié)合的路由協(xié)議在保證分組遞交率的情況下,具有比單獨使用其中一種路由協(xié)議更低的控制開銷和平均時延。

2 優(yōu)化ZigBee路由算法
2.1 ZigBee路由算法問題
   
Cluster-Tree算法必須按照簇樹型結(jié)構(gòu)地址分配方式來尋址,路由效率低,并且源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸路徑由于跳數(shù)過多,會影響網(wǎng)絡(luò)時延。
    AODVjr算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中,會產(chǎn)生分組大量泛洪問題。例如,當目的節(jié)點是源節(jié)點的子節(jié)點時,若采用AODVjr向鄰居節(jié)點發(fā)送RREQ分組,則向其父節(jié)點以上的節(jié)點發(fā)送RREQ分組是多余的;若目的節(jié)點不是源節(jié)點的子節(jié)點,則采用AODVjr向其子節(jié)點方向發(fā)送RREQ分組是多余的。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的最大深度是1,則數(shù)據(jù)幀可能被轉(zhuǎn)發(fā)的最長路徑是21,因此當跳數(shù)大于21時,就應停止對RREQ分組的繼續(xù)廣播,將其丟棄;假設(shè)從源節(jié)點到目的節(jié)點的最小跳數(shù)為M,當RREQ分組被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)大于M時,再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)是多余的。由于每一次AODVjr路由都要產(chǎn)生大量的RREQ泛洪,因此會使節(jié)點能量消耗嚴重。
    鑒于以上問題,本文提出一種基于C+A算法的優(yōu)化路由算法,用以解決Cluster-Tree路由的低效率和AODVjr路由的泛洪嚴重及能量消耗問題。
2.2 優(yōu)化路由算法思想
   
在一個傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感節(jié)點只能和與它相鄰的,并且在它的射頻傳輸范圍之內(nèi)的節(jié)點直接通信。樹型網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的鄰居表中都包含有其射頻覆蓋范圍內(nèi)各個鄰居節(jié)點的相關(guān)信息。在優(yōu)化路由算法中利用鄰居表中記錄的有效信息,可以使源節(jié)點發(fā)送給目的節(jié)點的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過一跳到達。
    在AODVjr路由發(fā)現(xiàn)過程中,為了避免RREQ分組無選擇性的大量泛洪,在優(yōu)化路由算法中依據(jù)不同的情況,添加對RREQ分組廣播跳數(shù)的限制條件,使大于限制條件的多余路由不能啟用。這樣能有效地減少RREQ分組泛洪次數(shù),縮小RREQ廣播范圍,限制RREQ分組傳播方向,從而降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。
2.3 優(yōu)化路由算法設(shè)計
   
優(yōu)化路由算法的具體步驟如下:
    ①對樹型網(wǎng)絡(luò)進行分區(qū),并設(shè)定輔助變量number的初始值為1(number值代表分區(qū)次數(shù))。分區(qū)原則如下:以協(xié)調(diào)器為根節(jié)點,將根節(jié)點的每一個子樹看作一個區(qū)域,并為其編號。記錄每一個區(qū)域中的最大地址Amax和最小地址Amin。由樹地址分配機制可以得出,在同一區(qū)域中的節(jié)點地址An均滿足Amin≤An≤Amax,即此區(qū)域的地址范圍是[Amin,Amax],并且每一個區(qū)域的地址范圍之間是不相交關(guān)系,即一個確定的地址在且僅在一個區(qū)域內(nèi)。
    ②判斷源節(jié)點的類型。若為RFD則直接將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點;若為FFD則判斷目的節(jié)點是否為源節(jié)點的子節(jié)點。若是,則向下啟動AODVjr路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀,并將RREQ分組的最大廣播跳數(shù)限制為|Dd-Ds|(Ds為源節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)深度,Dd為目的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)深度),超出范圍則丟棄;若不是,則進行第下一步。
    ③源節(jié)點向鄰居節(jié)點發(fā)送RREQ分組,鄰居節(jié)點判斷自身地址是否與目的地址相等。如果相等,則向上層傳遞,由其上層對數(shù)據(jù)幀進行解析,并將RREQ分組的最大廣播跳數(shù)限制為1,超出范圍則丟棄。如果不等,則進行第④步。
    ④判斷目的地址在哪個區(qū)域中。若目的節(jié)點和源節(jié)點在同一區(qū)域中,進行第⑥步;若不在同一區(qū)域中,則進行第⑤步。
    ⑤判斷源節(jié)點的鄰居節(jié)點中是否有和目的節(jié)點在同一區(qū)域的節(jié)點。如果有,將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點,并進行第⑥步;如果沒有,則進行第⑦步。
    ⑥number值加1。將目的節(jié)點所在區(qū)域看作一個樹型網(wǎng)絡(luò),將其最小地址節(jié)點看作該樹的根節(jié)點,并按照第①步的分區(qū)原則將其進行分區(qū)。判斷目的節(jié)點和當前節(jié)點是否在同一區(qū)域中。若是,重復第⑥步;若不是,則進行第⑦步。
    ⑦將數(shù)據(jù)幀經(jīng)由樹路由轉(zhuǎn)發(fā)到第number次分組的根節(jié)點,然后啟動AODVjr路由,由此根節(jié)點將RREQ分組廣播至目的節(jié)點的相應分組內(nèi),尋找目的節(jié)點,并將RREQ分組的最大廣播跳數(shù)限制為|Dd-number+1|,超出范圍則丟棄。
    目的節(jié)點接收到RREQ分組后,將向?qū)ふ衣酚傻脑垂?jié)點回復一個RREP分組,其傳送路徑為路由建立過程的反向路由。所有接收到RREP分組的節(jié)點將此路由信息替換并且記錄,正向路由從源節(jié)點到目標節(jié)點建立成功。優(yōu)化路由算法的流程圖如圖1所示。


    具體實現(xiàn)過程舉例如下:假設(shè)一樹型網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Cm=4,Lm=4,Rm=3,依據(jù)前面的網(wǎng)絡(luò)地址分配方式給網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點分配相應地址,選定源節(jié)點為37,在其射頻覆蓋范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點是25、36和90。具體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布圖如圖2所示。


    首先將樹型網(wǎng)絡(luò)按照自定義的方式進行分區(qū),分區(qū)后的網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。其中,原樹型網(wǎng)絡(luò)被分為I、II、III、IV4個區(qū)域。


    樹型網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)步驟如下:
    ①當目的節(jié)點是41時,直接轉(zhuǎn)發(fā),并將RREQ分組傳播跳數(shù)限制為|4-3|=1。
    ②當目的節(jié)點是90時,由于90是源節(jié)點的鄰居節(jié)點,直接將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā),并將RREQ分組傳播跳數(shù)限制為1。
    ③當目的節(jié)點是8時,由于目的節(jié)點和源節(jié)點屬于同一區(qū)域I,則number=number+1,即number=2。并且將區(qū)域I繼續(xù)分區(qū),第二次分區(qū)后的樹型網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。此時,節(jié)點8和節(jié)點37不屬于同一區(qū)域,則將數(shù)據(jù)幀沿樹路由轉(zhuǎn)發(fā)給第2次分區(qū)的根節(jié)點,即節(jié)點1。然后,由節(jié)點1向區(qū)域I-1內(nèi)的節(jié)點廣播RREQ分組,并限制RREQ分組的跳數(shù)為|Dd-number+1|=2。


    ④當目的節(jié)點是72時,由于鄰居節(jié)點中有和目的節(jié)點同區(qū)域的節(jié)點90,則先將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點90,然后再由其通過和③類似的步驟轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。

3 仿真與實驗結(jié)果分析
   
為了比較優(yōu)化算法與C+A算法的性能,在相同的仿真環(huán)境下分別對兩種算法進行了仿真,重點比較了兩者在網(wǎng)絡(luò)剩余節(jié)點數(shù)、路由平均跳數(shù)、數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率及端到端時延等方面的差別。仿真結(jié)果表明,該優(yōu)化算法具有更優(yōu)越的性能。但是在節(jié)點數(shù)目相同的情況下,優(yōu)化算法的傳輸時延還是比C+A算法要小很多。這是因為算法優(yōu)化后,數(shù)據(jù)幀從源節(jié)點到達目的節(jié)點的傳輸路徑變短,因而傳輸時延減少。

結(jié)語
   
在分析了ZigBee路由協(xié)議中Cluster-Tree和AODVjr算法的基礎(chǔ)上,提出了一種基于C+A算法的優(yōu)化路由算法。優(yōu)化路由算法利用ZigBee協(xié)議中的鄰居表,使數(shù)據(jù)幀的傳送跳數(shù)減少,并通過將樹型網(wǎng)絡(luò)自定義分區(qū),來控制路由發(fā)現(xiàn)過程中RREQ分組傳播的跳數(shù),從而防止無效的RREQ泛洪,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量。仿真結(jié)果證明,優(yōu)化的路由算法能夠有效地減小路由跳數(shù),延長網(wǎng)絡(luò)的壽命,提高路由效率,從而使網(wǎng)絡(luò)整體能耗減低。

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