ZigBee网络中Cluster_Tree路由算法优化

2.2 地址分配机制
ＺｉｇＢｅｅ网络中的每一节点都有两个地址段： 网络短地址段和扩 展地址段。 其中１６ｂｉｔ网络短地址仅仅用于网络中的数据传输和路 由； 是在节点加入网络时由其父节点动态分配的， 类似于我们在 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中使用的ＩＰ地址；６４ｂｉｔ地址类似于计算机的ＭＡＣ地址， 唯 一标识每个节点。 加入ＺｉｇＢｅｅ网络的节点通过ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＭＡＣ 层提供的关联过程组成一棵逻辑树， 当网络中的节点允许一个新节 点加入网络时， 它们之间就形成了父子关系， 每个进入网络的节点 会得到父节点为其分配的一个唯一的网络地址［３］。 协调节点在建立 网络以后使用的１６位的１６进制数作为自己的网络地址，路由节点和 终端节点加入网络后， 使用父设备给他分配的１ ６ 位的短地址来通 信。 规定这些子节点中最多可以有Ｒｍ个路由节点， 每个父节点最多 可以连接Ｃ ｍ 个子节点， 网络的最大深度为Ｌ ｍ 。 因此地址为Ａ ｐ 深度 为ｄ 的父节点。 如果新加入的节点是一个Ｒ Ｆ Ｄ ， 并且该节点是其父 节点的第ｎ个ＲＦＤ 节点， 分配的网络地址可通过式（１）得出： An = Ap + Cskip (d ) ∗ Rm + n 1 ≤ n ≤ Rm （１） 如果新加入的节点是一个Ｆ Ｆ Ｄ ， 并且该节点是其父节点的第ｎ 个Ｆ Ｆ Ｄ 节点， 则父节点为该节点分配的网络地址： （２） An = Ap + 1 + Cskip(d ) ∗ (n − 1) (1 ≤ n ≤ Rm) 其中：
3 、ZigB ee 路由算法改进 3.1 问题分析
如图３－１所示，簇树就是由Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ节点展开生成的簇树状 网络拓扑结构，该簇树状网络分为３个簇Ａ、 Ｂ、 Ｃ， Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ算 法按照Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ树形结构分层遍历， 算法简单快速。 但是它存 在一个问题： 两个相邻的节点都在一跳范围内可以完成通信，但由 于不在同一簇内，根据Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ算法不能通过一跳完成通信， 造成网络节点资源的浪费和较大的通信延迟， 容易造成网络分割， 缩短网络的使用寿命。 例如：簇Ａ中的１节点和簇Ｂ中的６节点要相互 通信，尽管他们的距离近，相互都处于对方的信号覆盖范围，但他们 属于不同的簇， 本需１跳就可完成通信（１， Ｂ６）， 但依照Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ 算法则需５跳来完成（Ａ１，Ａ２，Ａ３、 Ｂ４、 Ｂ５、 Ｂ６）。 可见，按照Ｃｌｕｓｔｅｒ— Ｔｒｅｅ算法额外增加了很多不必要的节点。
1 、Zig B ee 的相关概念 1.1 ZigBee 技术的定义
ＺｉｇＢｅｅ的名字来源于蜜蜂的舞蹈， 一群蜜蜂通过跳ＺｉｇＺａｇ形 状的舞蹈交换各种信息， 来告知同伴发现食物的距离、 方向和具体 位置等信息。 为了形象的记忆， 国内有人甚至将其称之为 “紫蜂” 技 术［２］。 ＺｉｇＢｅｅ技术是一种新型近距离、 低复杂度、 低功耗、 低数据速 率、 低成本的无线网络技术， 是一种基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４无线通信标 准； 介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案； 主要应用于短 距离无线通信。
算法分析
数字技术 与应用
ＺｉｇＢｅｅ 网络中 Ｃｌｕｓｔｅｒ — Ｔｒｅｅ 路由算法优化
彭设强 王为
(国防信息学院 湖北武汉 430010)
摘要： 随着无线通信、 集成电路和计算机技术的不断发展， 出现了无线传感器网络(Wireless Sensor Network ， WSN) 通信技术。 无线传感器 网络是一种无中心的全分布系统。 通过随机投放的方式， 众多传感器节点被部署于指定的区域中； 他们通过无线信道相连， 自组织构成网络系 统。 由于其组网高效灵活， 易于使用等特性， 近年来无线传感器网络在民用和军用等诸多领域取得了显著的成就， 引起了相关学者和专家的广 泛关注 [ 1 ] 。 关键词： 无线传感器网络 ZigBee 路由协议 中图分类号： TN9 2 9 文献标识码： A 文章编号： 1007-9416(2012)04-0112-02
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数字技术 与应用
算法分析
ＡｄｄＮｂ： 邻居节点地址。 Ｔｙｐｅ： 邻居节点设备类型， 如果为Ｆ Ｆ Ｄ 设备， 既可以作为路由 器也可以作为终端设备； 如果为ＲＦＤ设备， 不具有路由功能， 只进行 数据的收发。 Ｄｅｐｔｈ： 邻居节点的深度。
子节点，此时如果满足 D〉 A + Rm × Cskip(d ) ，则说明目的节点是它 的一个终端子节点，这时下一跳节点地址 N = D 。 否则，下一跳节点 地址Ｎ 可按下面表达式计算：
1 + Cm ∗ ( Lm − d − 1) 如 果 Ｒ ｍ ＝ １ Cskip（d）
1.3 ZigBee 技术的特点
（１）可靠性。 可靠性又被称作鲁棒性。 在ＺｉｇＢｅｅ中影响数据可靠 传输的因素主要有两个： 一是无线通信的误码率较高； 二是多个设 备共享信道产生的冲突。 ＺｉｇＢｅｅ采取了载波检测多路访问冲突避免 机制 （Ｃ Ｓ Ｍ Ａ － Ｃ Ａ ） 很好的解决了共享信道时的冲突问题。 对于无线 通信本身误码率问题， ＺｉｇＢｅｅ采用了两条措施： 一是在ＭＡＣ层中采 用Ｃ Ｒ Ｃ 校验机制； 二是使用较短的帧格式， 来减小单个帧出错的概 率。 因此从根本上保证了数据传输的最大可靠性。 （２）短时延性。 ＺｉｇＢｅｅ技术与蓝牙技术的时延对比可知， ＺｉｇＢｅｅ 节点休眠和工作状态转换只需１５ｍｓ， 入网约３０ｍｓ。 （３）工作频段灵活。 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ可以使用的频段主要有２ ． ４ Ｇ Ｈ ｚ、 ８ ６ ８ Ｍ Ｈ ｚ 以及９ １ ５ Ｍ Ｈ ｚ ， 而且这些频段均为免执照频段。 （４）安全性。 ＺｉｇＢｅｅ提供了数据完整性检查和鉴权功能， 采用通
4 、结语
在研究分析了ＺｉｇＢｅｅ网络Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ算法的基础上，提出 了Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ算法存在一跳节点可以到达但需要多跳来完成的 问题， 并采用了一种利用邻居表改进节点路由效率的方法解决这个 问题。 通过实验表明，改进后的算法在延迟方面和路由跳数都有了 明显的提高， 同时减低了网络整体的能量消耗。 参考文献 ［１］孙利民，李建中，陈渝，朱红松．２００５．无线传感器网络［Ｍ］．北京：清华 大学出版社． ［２］顾瑞红，张宏科．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线网络技术及应用［Ｊ］．电子技术 应用． ［３］程利娟．无线传感器网络时间同步算法研究［Ｄ］．西安：西北工业大 学． ［４］班艳丽，柴乔林，王深．基于能量均衡的ＺｉｇＢｅｅ网络树路由算法．计 算机应用．
3.2 改进的网络树算法
针对Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ算法的局限性问题，我们引入了邻居表的 概念。 如果两节点在一跳范围内可以直接通信，我们就说这两个节 点是邻居。 当一个节点想加入ＺｉｇＢｅｅ网络时，它会通过广播的方式 向所有经过一跳范围就能到达的已入网节点发送请求加入原语，收 到请求连接原语信息的已入网节点会向请求节点回传一个信息，最 后请求加入的节点根据收到的信息， 最优的选择一个合适的父节 点，父节点再回复确认信息。 在此过程中，新加入网络的ＺｉｇＢｅｅ节点 会了解自己所有一跳范围内节点的基本信息，并将这些信息存放在 邻居表内。 每当此节点收到某个邻居节点发送消息时，邻居表的信 息就更新一次。 设计邻居表节点Ｎ ｂ Ｎ ｏ ｄ ｅ 如下表所示
1.2 Zigbee 协议栈
按照ＩＳＯ的ＯＳＩ模型完整的ＺｉｇＢｅｅ协议栈分为四层， 自上而下 分别为由应用层 （Ａ Ｐ Ｌ ） 、 网络层 （Ｎ Ｗ Ｋ ） 、 数据链路层 （Ｍ Ａ Ｃ ） 、 物理 层 （Ｐ Ｈ Ｌ ） ， 每一层都实现一部分通信功能， 并向它的上层提供相应 服务。 最下面的两层物理层和ＭＡＣ层使用ＩＥＥＥ８０２．１５．４； ＺｉｇＢｅｅ联 盟制定了网络层和应用层的协议规范。
用的Ａ Ｓ Ｅ － １ ２ ８加密算法。 （５）节能性。 ＺｉｇＢｅｅ设备为低功耗设备， 网络节点设备工作周期 较短、 收发信息功率低， 并且采用了休眠模式， 两节五号电池可持续 长达６个月到２年左右的使用时间。
2 、ZigB e e 路由算法 2.1 ZigBee 网络树路由算法
树路是一种基于网络地址分配机制的路由算法， 它不需要存储 路由表， 每个设备都给后裔结点预留一定的地址空间。 因此， 几乎任 何一个低资源的设备都可以加入到ＺｉｇＢｅｅ网络， 但是其路由路径未 必是最优路径。
Ａ ｄｄＮ ｂ Ｔｙｐｅ Ｄ ｅｐｔｈ
图 ３－２ 邻居表节点结构体
・ ・ ・ ・ ・ ・上接第１１１页 5 、结语
本文针对无线传感器网络的特点， 详细分析了传统ＤＶ－Ｈｏｐ 定 位算法在计算平均跳距时产生偏小误差的原因， 以及信标节点数量 对偏小误差的影响， 同时考虑到平均跳距应反映网络整体情况， 对 平均跳距进行了修正。 改进算法不用改变传统ＤＶ－Ｈｏｐ 算法的定位 过程， 无需额外信息， 只需增加一定的通信量， 简单易行。 经过仿真 测试， 改进算法可以在任何网络环境下， 显著提高定位精度， 稳定性 好， 具有实用意义。 参考文献 ［１］Ｈｅ Ｔ， Ｈｕａｎｇ ＣＤ， Ｂｌｕｍ ＢＭ， Ｓｔａｎｋｏｖｉｃ ＪＡ， Ａｂｄｅｌｚａｈｅｒ Ｔ．Ｒａｎｇｅ－ Ｆｒｅｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ｉｎ： Ｐｒｏｃ ｏｆ ｔｈｅ ９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔ’ ｌ Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ． Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ： ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ ，２００３． ８１－９５．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓ． ｖｉｒｇｉｎｉａ．ｅｄｕ／￣ｔｈ７ｃ／ｐａｐｅｒ／ＡＰＩＴ＿ＣＳ－２００３－０６．ｐｄｆ．
４
５ ３ ２ ６ Ｂ Ｃ
Ａ １
1 + Cm − Rm − Cm ∗ Rm 1 − Rm
Lm − d −1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 其 他 （３）
2.3 Cluster — Tree 路由算法
图 ３ — ３ 端到端跳数对比图 图 ３ — ４ 端到端延迟对比图 图３－３表示的是随着网络中节点数的逐渐增多，端到端的路由 跳数也随着增多，选取节点数为４０、 ７０、 １００、 １３０、 １６０时的平均跳数 作分析，改进后算法的平均跳数明显要小于改进前的算法跳数。 图 ３－４表示的是随着网络中节点数的逐渐增多，端到端的时间延迟也 随着增大，同样在选取点作分析，可看出改进后算法的延迟要小于 改进前的延迟。 因此，改进后的算法在路由效率上较改进前有很大 的提高。
协调器节点
路由节点 终端节点
图 ３ － １ 簇间相邻节点路由分析图
在Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ算法中，分组数据是沿着树形结构向下层节 点或者上层父节点转发的。 节点一跳地址［４］是根据网络地址计算出 来的。 对于地址为Ａ 深度为ｄ 的路由节点， 如果能够满足不等式 ，则地址为Ｄ 的目的节点是它的一个后代。 如果 A〈 D 〈 A + Cskip (d − 1) 确定目的节点是接收节点的一个后代，节点就将数据包发送给它的
D − ( A + 1) N = A + 1 × Cskip (d ) Cskip (d )
如果目的节点不是接收节点的一个后代， 则将数据包发送给 它的父节点。 在Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ算法中，节点收到数据包后可以立即 将其转发给下一跳，没有路由发现过程，而且不需要维护路由表， 从而减少了路由协议的控制开销和节点能量消耗， 并且降低了存 储能力的要求， 所以该算法非常适合那些存储能力受限的节点。