光纤传感器的文献综述

ZIGBEE路由分析

摘要

ZIGBEE作为新一代无线通信技术的命名，是一种高可靠的无线数传网络技术，是基于IEEE802.15.4标准的一种具有强大组网能力的新型无线个域网，所以其稳定可靠的路由就成了研发工作的重点。本文重点综述了ZIGBEE无线传感网的网络结构，协议网络层的路由算法，分析了Z-AODV路由和Cluster-Tree路由的协议并在此基础上提出了ZIGBEE的基于Mesh路由的路由选择机制，该机制在网络性能和低功耗方面有明显的优势，适合未来通信网络发展的方向。

关键词：ZIGBEE协议；路由算法；Z-AODV路由

ZIGBEE路由分析

1前言

无线传感网络采用了微小型的传感节点来获取信息，它们的节点之间具有自动组网和协调工作的能力，网络内部采用了无线的方式来采集和处理信息。

基于ZIGBEE网络技术是一种短距离，低成本的无线网络技术，在监控领域，以及传感和自动工业控制得到普片的应用，因此是国家安全还是国民经济等方面均有着广泛的应用前景。最终将成为数字世界和现实世界的接口并深入到人们的生活中，它有着广阔前景，将像互联网一样改变着人们的生活。

因而对ZIGBEE无线传感网络协议的层路由分析计算，以及链路控制在实际应用中显得非常重要，且意义重大。经过多年的研发讨论，ZIGBEE联盟于2004年12月，在IEEE 802.15.4 定义的物理层（PHY）和媒体接入层（MAC）的基础上定义了网络层和应用层，正式发布了基于IEEE 802.15.4的ZIGBEE标准协议，它将推动物联网的飞速发展，加速无线数传的更新进步[1]。

2 ZIGBEE网络层的结构

在ZIGBEE网络中将终端的设备分为两类：一类是全功能设备（FFD），它的空间很大，用来处理和存放路由信息，它就是网络中的协调者，可以同网络中的任何设备进行通信，切实用于任何一种网络拓扑结构，起到网关的作用；另一类设备就是就是简化功能设备（RFD）,这种设备功耗很低、内存空间较小，它在网络中的功能就是与（FFD）通信，应用范围受一定的限制，只能用于星型拓扑结构中，在网络中作为基本的传感节点来采集信息并将其信息传给相应的网关节点，他们的通信关系如下图。

图1 两种设备的组网结构

无论是简化功能设备和全功能设备，它们的模块都是集成了无线收发器、微处理器、电源模块、存储器和用户API等软硬件于一体，可实现ZIGBEE协议栈的功能组成[2]。它们的工程流程是：将各种传感器（如：压力，温度）送来的信号并送给微处理器模块；微处理器模块负责整个节点的操作处理，同步定位，路由选择以及任务管理；无线通信模块负责与其它节点进行无线通信；电源模块负责整个设备的供电，由于ZIGBEE模块功耗小，所以我们可以用1.5V电池供电，以达到节能的目的，ZIGBEE模块框图如下：

图2 ZIGBEE模块框图

图1是模块的硬件框图，射频芯片为符合IEEE802.15.4标准的模块CC2420；控制射频芯片的微处理器选择的8051内核单片机[3]。单片机与射频芯片之间通过SPI通信。单片机与外部设备之间通过串口通信，单片机自带若干者温度或ADC 传感器，可以实现简单的温度监控或者模数转换。为了方便代码移植到不同的硬件平台，模块固件采用标准C语言编写代码实现。

此外为了增加ZIGBEE网络的通信容量，碰撞概率和减小功耗，延迟其设备的寿命，所以在软件研发中采用了需求时唤醒机制[4]。其工作的流程就是：在给设备通信初始化时，协调器主动广播连接信令，在传感节点成功就收和证明一个数据帧和MAC命令帧后，就会向协调器返回确认的帧，然后传感节点进入休眠状态，当有数据要经协调器传回时，会发一个指令唤醒协调器，这样就避免了协调器一直出于工作状态，节省了能源。

当然整个传感网络不仅仅需要网关和传感节点，还需要与后台监控中心合理的结合，才能组合成有效的传感网络。监控中心是由一台计算机和多个协调器组成的，系统网络结构框图如下：

图3系统网络结构框图

3 网络层路由算法的分析

现在通信网络的拓扑结构较多，如：Cluster-Tree、Z-AODV、Mesh等路由算法，ZIGBEE可以支持以上任何一种拓扑结构的算法[5]。

3.1 AODV路由算法

AODV是逐跳的按需距离向量路由协议。当源节点没有已知的路由到达目的节点时，它就会广播一个请求消息（RREO）每个接收到RREO的中间节点会记录下到源节点的逆向路径（以便为之后答应消息（RREO）提供路由），然后重新广播RREO 。当RREO到达目的节点时，这时目的节点利用记录在报文中的逆向路径发送RREP。如果中间节点知道最新的指向的节点路由，就会代替目的节点发送RREP。每个收到RREP的节点以相同的方式记录本节点到目的节点的路径，以便为将来数据分组的报文的到来提供路由服务。此外每个节点都维护一个目的序列号用于判断更新的路由。AODV还支持组播功能，支持QoS，而且AODV使用IP地址，便于同Internet连接。但AODV基于双向信道的假设，路由应答数据包直接沿着路由请求的反方向回溯到源节点，因而不支持单向信道。AODV是一个纯粹的按需路由协议，那些不在路径内的节点不保存路由信息，也不参与路由表的交换。

3.2 Z-AODV路由算法

Z-AODV[算法是针对AODV（Ad hoc按需距离矢量路由协议）算法的改进，AODV是基于序列号的路由，它总是选择最新的路由[6]。Z-AODV是基于路径的能量消耗的路由，它考虑到节能、应用方便性等多方面的因素，它简化了AODV 的一些算法，但仍保持AODV的原始功能。

在路由选择和路由维护时，ZIGBEE 的路由算法使用了路由成本的度量方法来比较路由的好坏。假定一个长度为L 的路由P ，则它的路由成本为：

()]},{[11+=∑=i i

L

i D D C P C (1)

其中，]}1,{[+Di D C i 表示从节点Di 到节点Di+1的链路成本。对于链路l ，链路成本可按照下面的表达式计算：

⎪⎩

⎪⎨⎧ ⎝⎛⎪

⎪⎭⎫ ⎝⎛=p round L C 411,7min 7}{ (2) 其中，pl 为链路l 中发送数据包的概率。

3.3 树簇型（Cluster-Tree ）路由算法

Cluster-Tree 是一种逻辑链路和网络层协议，使用链路状态数据包建立一个简单的簇型网络 [7] 。该网络的组网能力强，切支持网络冗余，还具有一定自我修复能力。网络中的节点形成一种父子关系，在有节点加入的时候，父节点就会为子节点分配地址。它就是根据自身的地址Ak 和网络深度Depthk ，节点（k ）将为节点（i ）分配网络地址Ai 和网络深度Depthi=Depthk+1。如：一个新的RFD 节点（i ），它没有路由能力，它与协调器连接作为协调器的第n 个子节点。根据它的深度d ，父节点（k ）将为子节点（i ）分配网络地址：

Ai=Ak+Cskip （d ）·Rm+n 1≤n≤（Cm-Rm ） (3) 如果是新的子节点FFD ，它有路由能力，父节点（k ）将给它分配网络地址：

Ai=Ak+1+Cskip （d ）·（n-1） (4)

其中，

()⎪⎩

⎪⎨⎧=--+=-∙--+--Rm Rm Cm Rm Cm d Lm R d Lm Cm Cskip 1111

m ,11如果 (5) 否则，参数nwkMaxDepth (Lm)表示网络的最大深度。