降低路由开销的ZigBee路由算法研究

关键词： ＺｉｇＢｅｅ； 路由算法； 路由开销
中图分类号： ＴＰ３９３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００９－ ３０４４（２００８）０６－ １１０４３－ ０６
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｏｖｅｒ ｈｅａｄ
ＧＵＯ Ｚｈｕａｎｇ－ ｈｕｉ， ＨＵ Ｋｅ， ＷＡＮＧ Ｌｅｉ
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＺｉｇＢｅｅ； ｒｏｕｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ； ｒｏｕｔｉｎｇ ｏｖｅｒｈｅａｄ
１ 引言
ＺｉｇＢｅｅ 技术是一种新兴的针对于无线传感器网络的短距离无线通信技术。它依据 ＩＥＥＥ８０２．１５．４ 标准， 在数千个微小的传感器 之间相互协调， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器， 由于这些传感器只需要很少的能量， 所以具有 非常高的通信效率。与蓝牙和 Ｗｉ－ Ｆｉ 相比， ＺｉｇＢｅｅ 具有数据传输速率低、功耗低、成本低， 复杂度低、时延短、网络容量大、工作频段 灵活等特点， 其技术特性决定它将是无线传感器网络最具潜力的选择， 具有广阔的应用前景［１］。
若目的节点 是当前节点 的后代， 那么从 到 的下一跳节点地址 可以表示为：
（ 式 １） （ 式 ２）（ ３）２．２ 路由建立过程
路由的建立过程分为以下两大步骤： 第一步， 广播 ＲＲＥＱ 分组， 建立反向路由： 节点 创 建 并 向 周 围 节 点 广 播 一 个 ＲＲＥＱ 分 组 ， 如 果 收 到 ＲＲＥＱ 的 节 点 是 一 个 ＲＮ－ 节 点 ， 它 就 按 照 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 路 由 转 发 此 分 组； 如果收到 ＲＲＥＱ 的节点是一个 ＲＮ＋节点， 则在路由表中建立一个指向 ＲＲＥＱ 源节点的反向路由， 并继续广播此 ＲＲＥＱ 分组。 第二步， 回复 ＲＲＥＰ 分组， 建立正向路由： 经过一系列广播后， 一旦 ＲＲＥＱ 到达目的节点 （ ＲＮ＋） 或 者 目 的 节 点 （ ＲＮ－ 和 ＲＦＤ） 的 父 节 点 ， 此 节 点 就 向 ＲＲＥＱ 的 源 节 点 回 复 一个 ＲＲＥＰ 分组， ＲＲＥＰ 将沿着已建立的反向路由向源节点传输， 每个收到 ＲＲＥＰ 的节点建立到目的节点的正向路由并更新相应的 路由信息。 图 １ 给出了一个路由建立的例子。
首先判断目的节点与源节点的位置关系。如果目的节点是源节点的后代或源节点是目的节点的后代 ， 那么 ＲＲＥＱ 到达目的节 点后所发现的路径长度应不大于目的节点与源节点的深度之差， 即 ｌ＝│ｄ０－ ｄ│； 如果目的节点和源节点均不是对方的后代， 那么所 发现的路径长度应不大于目的节点与源节点相对于最高深度公共父节点的深度之和 ， 设 最 高 深 度 公 共 父 节 点 的 深 度 为 ｄｃ， 则 ｌ＝ｄ＋ ｄ０－ ２ｄｃ。作为特例， 当它们的公共父节点只有协调器节点时， ｄｃ＝０， 此时 ｌ＝ｄ＋ｄ０。
为了达 到 低 成 本 、低 功 耗 、可 靠 性 高 等 设 计 目 标， ＺｉｇＢｅｅ 网 络 中 采 用 了 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ＋ＡＯＤＶｊｒ 路 由 算 法 ， 结 合 了 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算 法和 ＡＯＤＶｊｒ 算法各自的优点。Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ（ 簇－ 树） 是一种由协调器展开生成的树型网络拓扑结构， 适合于节点静止或者移动较少 的 场 合 ， 属 于 静 态 路 由 ， 不 需 要 存 储 路 由 表 。ＡＯＤＶｊｒ （ＡＯＤＶ Ｊｕｎｉｏｒ）［２］是 对 按 需 距 离 矢 量 路 由（Ａｄ－ ｈｏｃ Ｏｎ－ Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｒｏｕｔｉｎｇ， ＡＯＤＶ）［３，４］算法的改进， 充分考虑了降低成本 、节 能 、使 用 的 方 便 性 等 因 素 ， 简 化 了 ＡＯＤＶ 的 一 些 特 点 ， 但 是 仍 然 保 持 ＡＯＤＶ 的原始功能。
为了进一步合理地缩小传输范围， 尽量降低路由开销， 我们利用 ＺｉｇＢｅｅ 网络 的 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 参 数 Ｃｍ、Ｒｍ、Ｌｍ 和 目 的 节 点 的 网 络 地址 Ｄ０ 来确定 ＲＲＥＱ 的最大传输范围 ｌ。发起 ＲＲＥＱ 的源节点地址为 Ａ 深度为 ｄ， 均为已知量， 目的节点的深度为 ｄ０， 为未知量。下 面详细阐述求解 ｌ 的过程。
收稿日期： ２００８－ ０１－ １２ 基金项目： 国家自然科学基金重点项目（ ７０５３１０２０） 作者简介： 郭壮辉， 同济大学电子与信息工程学院硕士研究生， 研究方向为智能自动化； 胡柯， 同济大学电子与信息工程学院硕士研
究生， 研究方向为智能自动化； 汪镭， 江苏无锡人， 同济大学控制科学与工程系教授， 博士生导师， 从事智能自动化系统研 究。
路由开销是衡量路由算法性能的一个非常重要的指标， 它是传递数据分组时使用的控制分组总和， 较大的路由开销将会给网 络的运行带来负面影响。由于控制分组相对于数据分组是一种资源的浪费， 因此在保证网络的分组递交率和平均时延性能不受影 响的前提下， 尽量减少无用的控制分组， 降低路由算法的路由开销， 对于网络的优化和减负具有重要的意义。
２ ＺｉｇＢｅｅ 路由算法分析
在 ＺｉｇＢｅｅ 网络中， 节点使用 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法按照父子关系选择路径， 即当一个节点接收到数据分组后如果发现该数据分组不 是给自己的， 则只能转发给它的父节点或者子节点， 不存在路由发现过程， 然而由 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 建立的路由不一定是最优的路径， 会 造成分组传输时延增加， 而且容易造成网络中通信流量分配不均衡。为了提高路由效率， ＺｉｇＢｅｅ 中允许具有路由功能的节点使用 ＡＯＤＶｊｒ 算法去发现路由， 即具有路由功能的节点可以不按照父子关系而直接发送信息到其通信范围内的其它具有路由功能的节 点， 寻找通往目的节点的最优路径； 而不具有路由功能的节点仍然使用 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 路由发送数据分组和控制分组。由于 ＡＯＤＶｊｒ 的 使用， 降低了分组传输时延， 提高了分组递交率。 ２．１ 网络地址的分配机制［５］
图 １ 路由建立过程示意图
３ 降低路由开销的改进算法研究
由于 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法的使用， ＺｉｇＢｅｅ 路由相比 ＡＯＤＶｊｒ 具 有 较 少 的 路 由 开 销 ， 但 是 我 们 分 析 ＺｉｇＢｅｅ 的 路 由 机 制 ， 发 现 在 寻 找 路径的过程中仍然会产生很多多余的控制分组， 这些控制分组虽然也参与路由发现， 但对于最终找到一条最优路径并没有什么帮 助。如果我们能够在路由发现过程中适当地限制这些控制分组的产生或转发， 将能够显著地降低网络的路由开销。能否准确地找到 这部分控制分组是非常关键的， 因为如果抑制了一些可能找到最优路径的控制分组的产生或转发， 将会降低路由协议的性能（ 如分 组递交率、平均端到端时延等） 。
针对第 ３ 节对 ＺｉｇＢｅｅ 路由算法的分析， 我们从两个角度分析降低路由开销的策略： （ １） 限制 ＲＲＥＱ 分组的传输范围 ＺｉｇＢｅｅ 路由中， ＲＮ＋节点在选择路径时会向周围节点广播路由请求分组 ＲＲＥＱ， 网络中的其它节点帮助转发 ＲＲＥＱ 以便找到一 条通往目的节点的最优路径。这样随着网络业务量的增加， 节点需要处理的控制分组也会大量增加。路径的长度直接影响着网络的 各项性能， ＺｉｇＢｅｅ 在 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法中加人 ＡＯＤＶｊｒ 的一个主要原因就是为了寻找相比 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 更优的路径， 如果找到的路 径比按照 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法选择的路径长， 便没有了实际的意义， 而且较长的路径往往会对网络的平均端到端时延和寿命等产生负 面影响。因此， 如果我们能够事先确定 ＲＲＥＱ 分组的传输范围， 使之不超过节点按照 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法找到的路径长度， 那么就能够 丢弃一些超出传输范围的控制分组， 达到降低路由开销的目的。
本栏目责任编辑： 冯蕾
网络通讯及安全
降低路由开销的 ＺｉｇＢｅ ｅ 路由算法研究
郭壮辉， 胡柯， 汪镭
（ 同济大学 控制科学与工程系， 上海 ２０００９２）
摘要： ＺｉｇＢｅｅ 技术是为无线传感器网络技术设计的一项新兴的低成本、低功耗的短距离无线通信技术。在分析 ＺｉｇＢｅｅ 路由机制的 基础上， 针对控制分组的传输范围和转发方向提出降低路由开销的改进方案， 并与原算法进行仿真分析。
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假定每个父节点最多可以连接 Ｃｍ 个子节点， 这些子节点中最多可以有 Ｒｍ 个路由节点， 网 络 的 最 大 深 度 为 Ｌｍ， 用 Ｃｓｋｉｐ（ｄ）表 示 网络深度为 ｄ 的父节点为其子节点分配的地址间的偏移量， 它的值可按如下公式计算：
对于地址为 Ａ 深度为 ｄ 的 ＺｉｇＢｅｅ 路由器， 如果地址为 Ｄ 的目的节点满足下面的不等式， 那么 Ｄ 是它的一个子节点： Ａ＜Ｄ＜Ａ＋ Ｃｓｋｉｐ（ｄ）
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（ ２） 限制 ＲＲＥＱ 分组的转发方向 由第 ３ 节路由建立过程中 ＲＲＥＱ 分组的广播机制可知， ＲＮ＋节点收到 ＲＲＥＱ 分组后如果发现自己不是路由的目的节点， 便向 周围所有的邻节点转发此 ＲＲＥＱ， 事实上这样做存在着很大一部分浪费， 而且随着转发跳数的增加， 此种无益的开销增加得更大。究 其原因主要有两点： 其一， 并不是所有的邻节点都有可能帮助其找到到达目的节点的最优路径， 有些邻节点几乎不可能找到通往目 的节点的路径， 而有些邻节点只会使路由选择走很大弯路； 其二， 在大多数路由算法的路由发现过程中， 数据可以传输的范围通常 限 制 在 网 络 直 径 的 范 围 之 内 ， 超 过 传 输 范 围 的 ＲＲＥＱ 会 被 节 点 丢 弃 ， 因 此 存 在 一 些 邻 节 点 由 于 距 离 目 的 节 点 太 远 而 不 可 能 将 ＲＲＥＱ 分组转发过去。从上述分析可知， 如果我们在每个节点转发 ＲＲＥＱ 分组前， 加入一个路由方向判断机制， 如果此节点是对路 由发现无益的节点， 令它丢弃分组不再转发， 那么可以节省很大一部分路由开销。随着网络深度的增加， 这种节省会更加明显。