ZigBee網絡Cluster-Tree優(yōu)化路由算法研究

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，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，縮短傳輸時延，減少網絡中死亡節(jié)點的數量，提高數據傳送的成功率。
關鍵詞：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的快速發(fā)展促進了無線傳感器網絡的崛起。ZigBee協(xié)議基于IEEE 802．15．4無線標準制定，包括應用層、網絡層、安全層等，實現(xiàn)了網絡的自組織和自維護的功能。在無線傳感器網絡中，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，將會對整個網絡的傳輸性能造成很大影響。因此，在實際應用中，根據不同的網絡情況來選擇最符合應用需求的路由協(xié)議，讓路由協(xié)議根據網絡拓撲選擇合適的路徑，平均分布節(jié)點的傳輸能量，降低網絡的功耗是網絡層必須要考慮的任務。

1 ZigBee路由算法研究
    依據設備的能力，ZigBee網絡中的設備可以分為全功能設備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和半功能設備(Reduced Function Device，RFD)。FFD能轉發(fā)其他設備的數據幀，RFD則不能。當FFD加入一個網絡時，它可以作為協(xié)調器。協(xié)調器會周期性地廣播數據幀，周圍的RFD能夠發(fā)現(xiàn)并加入網絡，形成一個星型拓撲網絡。在星型拓撲中，協(xié)調器負責控制整個網絡，所有終端設備都直接與協(xié)調器通信，并且由它維護。
    ZigBee網絡層還支持樹型和網狀網絡。樹型網絡采用分級路由的策略在網絡中傳送數據和控制信息，而網狀網絡則可以進行點對點的通信。在樹型網絡中，根節(jié)點(協(xié)調器節(jié)點)和所有的內部節(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)調器或路由器加入網絡時，它必須被分配唯一的網絡地址。
1．1 網絡地址分配
    ZigBee協(xié)議規(guī)范使用一個分布式地址方案分配網絡地址，它設計為給每個潛在父節(jié)點提供一個有限的網絡地址子塊。當一個設備成功加入網絡后，其父節(jié)點給該節(jié)點自動分配一個唯一的網絡地址。
1．2 ZigBee路由算法
    網絡層支持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網絡的路由協(xié)議兼具樹型網絡和網狀網絡的特性。
1．2．1 Cluster-Tree算法
    樹路由機制是根據網絡地址和節(jié)點間的父子關系來實現(xiàn)路由的。如果目的地址設備不是該路由器的子孫，則直接將數據幀轉發(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，網絡中的節(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構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過多，會影響網絡時延。
    AODVjr算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中，會產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。假設網絡的最大深度是1，則數據幀可能被轉發(fā)的最長路徑是21，因此當跳數大于21時，就應停止對RREQ分組的繼續(xù)廣播，將其丟棄；假設從源節(jié)點到目的節(jié)點的最小跳數為M，當RREQ分組被轉發(fā)的次數大于M時，再繼續(xù)轉發(fā)是多余的。由于每一次AODVjr路由都要產生大量的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
    在一個傳感器網絡中，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的節(jié)點直接通信。樹型網絡中每個節(jié)點的鄰居表中都包含有其射頻覆蓋范圍內各個鄰居節(jié)點的相關信息。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)點的數據幀經過一跳到達。
    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)化路由算法中依據不同的情況，添加對RREQ分組廣播跳數的限制條件，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，縮小RREQ廣播范圍，限制RREQ分組傳播方向，從而降低網絡的能量消耗。
2．3 優(yōu)化路由算法設計
    優(yōu)化路由算法的具體步驟如下：
    ①對樹型網絡進行分區(qū)，并設定輔助變量number的初始值為1(number值代表分區(qū)次數)。分區(qū)原則如下：以協(xié)調器為根節(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系，即一個確定的地址在且僅在一個區(qū)域內。
    ②判斷源節(jié)點的類型。若為RFD則直接將數據幀轉發(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路由轉發(fā)數據幀，并將RREQ分組的最大廣播跳數限制為|Dd-Ds|(Ds為源節(jié)點的網絡深度，Dd為目的節(jié)點的網絡深度)，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，由其上層對數據幀進行解析，并將RREQ分組的最大廣播跳數限制為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，將數據幀轉發(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)域看作一個樹型網絡，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將數據幀經由樹路由轉發(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，尋找目的節(jié)點，并將RREQ分組的最大廣播跳數限制為|Dd-number+1|，超出范圍則丟棄。
    目的節(jié)點接收到RREQ分組后，將向尋找路由的源節(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：假設一樹型網絡，網絡參數Cm=4，Lm=4，Rm=3，依據前面的網絡地址分配方式給網絡中各節(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的鄰居節(jié)點是25、36和90。具體網絡節(jié)點分布圖如圖2所示。

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

    樹型網絡的分區(qū)步驟如下：
    ①當目的節(jié)點是41時，直接轉發(fā)，并將RREQ分組傳播跳數限制為|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，直接將數據幀轉發(fā)，并將RREQ分組傳播跳數限制為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)后的樹型網絡如圖4所示。此時，節(jié)點8和節(jié)點37不屬于同一區(qū)域，則將數據幀沿樹路由轉發(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內的節(jié)點廣播RREQ分組，并限制RREQ分組的跳數為|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，則先將數據幀轉發(fā)給節(jié)點90，然后再由其通過和③類似的步驟轉發(fā)給目的節(jié)點。

3 仿真與實驗結果分析
    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絡剩余節(jié)點數、路由平均跳數、數據包發(fā)送成功率及端到端時延等方面的差別。仿真結果表明，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，數據幀從源節(jié)點到達目的節(jié)點的傳輸路徑變短，因而傳輸時延減少。

結語
    在分析了ZigBee路由協(xié)議中Cluster-Tree和AODVjr算法的基礎上，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，使數據幀的傳送跳數減少，并通過將樹型網絡自定義分區(qū)，來控制路由發(fā)現(xiàn)過程中RREQ分組傳播的跳數，從而防止無效的RREQ泛洪，節(jié)省了網絡的能量。仿真結果證明，優(yōu)化的路由算法能夠有效地減小路由跳數，延長網絡的壽命，提高路由效率，從而使網絡整體能耗減低。