Zigbee C+A路由協議研究*

明　芳

(貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

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Zigbee C+A路由協議研究*

明芳

(貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

摘要：近年來，科學技術發展得越來越快，如何快速有效的獲得信息，成為關注的焦點。隨著傳感器技術的研究及物聯網的發展，人們開始關注Zigbee技術，然而，Zigbee還是一個比較新的技術，在很多方面都及需改進優化，特別是Zigbee網絡層現存的路由協議存在大量的冗余分組被轉發，大大增加了網絡功耗，針對這個問題，提出了一種改進路由算法：該算法綜合考慮了最短路由，能量均衡，大大降低了網絡開銷，同時提高了網絡壽命，最后，使用NS2進行仿真分析，改進的方法在理論上是可行的。

關鍵詞：Zigbee；網絡開銷；能量均衡；NS2 仿真

0引言

最近幾年，隨著三網融合及物聯網的發展，使人們又再次把目光轉向了Zigbee技術。但是Zigbee協議在某些方面仍有待于改進和完善，比如其網絡層使用的兩種路由協議：樹形路由和按需驅動路由分別具有路徑不夠優化和能耗過大的不足。因此，對Zigbee路由協議進行研究分析后，指出了現有路由協議的問題，并針對這些問題對Zigbee路由算法進行了改進，改進后的路由算法在一定程度上降低了功耗、提高了網絡壽命，這對Zigbee技術性能的提高和應用推廣都將起到十分積極的作用。

1Zigbee節點設備及拓撲結構

Zigbee網絡中存在兩種設備，全功能設備(FFD)和半功能設備(RFD)。FFD節點通常作為網絡協調器或路由，能和任何設備通信；RFD節點只能作為網絡的終端節點，負責本地信息收集和數據處理，只能和FFD節點通信[1]。協調器是整個網絡的控制中心，一個網絡中只能有一個協調器。

協調器主要負責網絡啟動和配置，保持同網絡設備的正常通信，確定網絡的唯一標示符[2]。路由器用來轉發消息，支持關聯，它能獲得由協調器分配的一定的16位短地址空間，其他節點可以通過路由器直接加入或者離開，并為加入的節點分配地址。終端設備不具有路由功能，其他節點不能通過終端設備加入或離開網絡，只能和為它分配了16位短地址的父節點之間進行消息傳輸，信息也只有通過父節點獲得，能夠加入或離開網絡。

Zigbee網絡最常見的拓撲結構有星狀、樹狀、網狀三種，如圖1所示。

圖1　星狀、樹狀、網狀

在星狀結構中，網絡由協調器來控制，節點之間的通信，所有的設備只能與協調器通信。

在樹狀結構中，節點只與其父節點通信。

網狀結構中，通過使用完全對等的點對點方式來進行通信，只要在通信范圍內，全功能設備可以任何其他全功能設備通信。

2Zigbee路由協議

2.1地址分配機制

Zigbee網絡中的節點在加入網絡后都會收到其父節點為其分配的16位短地址，且每一個節點都有一個64位的唯一的IEEE地址。

(1)

An=Aparent+Cskip(d)·Rm+n

(2)

式中，1≤n≤(Cm-Rm)

2.2Zigbee樹路由

樹路由中，節點在收到數據時，通過式(3)判斷節點是否是當前節點的后代來傳播數據，若是，將數據幀往下級子節點傳送，若不是，將數據幀往上級父節點轉發。將目的節點的地址設為D，Zigbee當前路由器地址設為A，深度設為d，若式(3)成立，那么目的節點是當前路由器的后代：

A

(3)

若已知目的節點是現節點的一個后代，并且目的節點是當前節點的子節點的同時是終端節點，那么下一跳的地址為：

N=D(D>A+Rm·Cskip(d))

(4)

若目的節點不是現節點的后代，那么下一跳地址N可以通過式(5)計算而來，為：

(5)

2.3AODVjr路由協議

一個完整的路由建立過程分三步完成，第一步：路由發現，廣播路由請求分組，第二步：反向路由建立，單播路由請求回復，第三步：單播正向路由的建立。

2.4Zigbee C+A路由協議

根據節點是否具有路由功能將Zigbee網絡中的節點分為RN+(具有路由功能),和RN-(無路由功能)兩類。ZigBee網絡層路由協議采取按需驅動路由算法和樹路由相結合的路由協議,RN+節點通過AODVjr算法找到最優路徑，通過路由表來獲得下一跳地址，而RN-節點執行Cluster-Tree算法,通過計算得到下一跳地址。

3基于剩余能量RREQ控制的路由改進算法

Zigbee是著眼于低功耗，低速率的無線通信技術，低功耗是其發展優勢，而Zigbee網絡中的RN+節點在使用廣播RREQ分組時，會產生使大量冗余的RREQ分組被轉發，而這些冗余分組對路由的建立是沒有起到任何作用，卻占用了很多網絡資源，消耗節點能量，占用節點內存，使網絡提早死亡，因此，從兩個方面，對Zigbee使用的路由協議進行了改進，首先對RREQ分組的泛洪廣播范圍進行控制，主要從兩個方向進行改進，一是RREQ的傳輸范圍，二是RREQ的傳播方向；其次考慮節點的剩余能量，避免關鍵節點過早死亡。

3.1控制RREQ廣播半徑

若減小RREQ分組的廣播半徑，那么在網絡中轉發的分組就會減小，相應的網絡需要的分組控制開銷也會降低。因此，在進行分組轉發之前，如果能夠計算出目的節點和源節點的深度，只需將廣播半徑設置為兩節點的深度之和就能保證至少有一個RREQ分組能到達目的節點。只考慮最差情況，即在樹狀拓撲下，分組沿父子關系進行遞交，源節點與目的節點的公共父節點為協調器，即只要RREQ的傳播半徑Radius≤Hs+Hd(式中Hs為源節點深度，Hd為目的節點深度)，就能滿足要求，并且用這種方法算出的網絡深度肯定不大于2*Lm，控制開銷也大大小于Radius=2*Lm時的控制開銷。若源節點與目的節點的公共父節點不是協調器，如圖1所示，則廣播半徑為式(6):

Radius=Hs+Hd-2H

(6)

式中，H為公共父節點的網絡深度。

這種算法確定目標節點的深度的思路為將目標地址所在的地址塊范圍不斷縮小。通過內循環來確定目的地址所在的地址塊，如果找到地址的塊首地址與目的地址相等，則認為找到目的地址，目的地址為路由器，路由當前深度即為目的地址深度，若找到地址塊范圍包含了目的地址的地址，則將FDB置為1，表示找到目的地址所在地址塊，然后跳出內循環，執行外循環把Hx(節點深度)加1,將剛剛內循環找到的地址塊作為新的搜索范圍，并將該地址塊以新的地址偏移重新劃分，然后繼續執行上一步的內循環過程，直到空間塊的塊首或者目的地址是空間塊中的終端節點，則認為在當前深度找到目的節點。由此，可以計算出目的節點所在的深度Hd。

下面先假設H=0，源節點與目的節點的公共父節點為協調器，然后從協調器向源節點發送一個分組，節點A在收到分組后求出下一跳節點地址D后，根據A

此時，通過公式Radius=Hs+Hd-2H可得RREQ分組的傳輸的最大范圍，根據這種算法，動態的設置RREQ傳輸范圍，當傳輸范圍大于這個值時，不再對該分組進行轉發，丟棄該分組。

3.2控制RREQ廣播方向

由樹路由的傳播特性可知，若已知目的節點為當前節點的父節點，則將分組向當前節點的后代傳播是沒有意義的，不可能找到最優路徑，同樣，若目的節點為當前節點的后代，將分組向當前節點的父節點轉發也沒有太大意義，因此，當節點在轉發分組前，若對目的節點的方向能先進行判斷，可以大大減少網絡中冗余分組的傳播，以此來降低控制開銷。

當前節點在對RREQ分組進行轉發之前，先通過下面的偽碼來判斷哪一類節點轉發RREQ：

if(RREQ目的節點D是節點A的后代)

F=“0”;//表示節點A的后代適合轉發此RREQ

e1se

F=“1”;//表示節點A的父節點適合轉發此RREQ

節點B收到節點A發送給它的一個RREQ分組后,對RREQ的處理執行如下偽碼:

if(F=“0”)

{if(節點B是節點A的父節點)

丟棄RREQ;

else

處理RREQ;//使用改進ZigBee路由協議

}

else//RREQ中的標志位為“1”

{

if(節點B是節點A的一個子節點)

丟棄RREQ;

else

處理RREQ;//使用改進ZigBee路由協議

}

改進的路由算法，限制了RREQ分組的傳輸范圍，并控制了傳播方向，很大程度上減少了無用的RREQ的轉發，降低了網絡控制開銷。

3.3基于節點剩余能量的改進

改進后的路由算法大大的降低網絡中的冗余分組,也一定程度上降低了節點的能耗,網絡壽命有所提高。但是，具有路由功能的節點由于要進行路由發現，并對路由進行維護，因此其消耗的能量遠遠的大于通過樹路由來進行分組轉發的節點，而不具備路由功能的節點中網絡深度小的節點由于要進行大量的數據傳輸和轉發，也會由于負荷過大而使能量過早消耗完，某些關鍵節點的死亡，就有可能會造成網絡分割，嚴重時甚至會引起網絡失效。

假設每個節點最小剩余能量為Emin，節點初始能量值設為Estart，對于任意網絡深度為Di的節點，其剩余能量為：

(7)

式中，t表示網絡運行時間，α表示Emin減小的速度的快慢，為一常數，仿真時使用α=2。

在基于RREQ廣播控制的路由算法的基礎上，每個節點收到RREQ分組后，先判斷自身剩余能量是否低于給定的門限值Emin，如果低于，丟棄分組，源節點重新進行路由發現，以避開剩余能量過低的節點，若高于，按照3.2的改進算法處理REEQ。改進算法二的具體流程如下,S為源節點，A為轉發節點，D為目的節點：

(1)計算最大轉發范圍Radius，S廣播RREQ。

(2)A節點收到RREQ，判斷是否目的節點，若是，轉到(3)，否，轉到(4)。

(3)回復RREP建立正向路由。

(4)判斷節點剩余能量是否滿足E>Emin，若滿足，執行(5)，若不滿足，轉到(7)。

(5)判斷目的節點是否為為節點A后代，若是，執行(6)，若不是，執行(8)。

(6)是，F=1，繼續判斷節點B是否為A父節點，若是，執行(7)，若不是，執行(9)。

(7)丟棄該路由請求分組。

(8)否，F=0，繼續判斷節點B是否為A子節點，若是，執行(7)，若不是，執行(9)。

(9)判斷是否超出Radius，若超出，執行(7)，若未超出建立反向路由并轉發分組。

3.4仿真分析

使用NS2軟件進行仿真分析，本次仿真只對協調器在網絡邊緣的網絡情況進行仿真分析，Zigbee網絡中有20個節點，仿真參數設置：網絡運行時間設為500 s，數據流使用CBR，數據包長度:70 byte，發包速率設為2 p/s，每個節點初始能量設為1 000 J，改變CBR數據流個數，對改進算法二、改進算法一和ZBR路由協議的控制開銷進行仿真比較，仿真結果如圖1所示。

圖1　改進前后控制開銷比較

圖1是改進前后路由控制開銷的仿真結果，改進算法2的控制開銷和改進算法一相差不大，由于算法二在算法一的基礎上增加了能量控制，也就是說對于某些剩余能量低的節點，其處理的數據包小于改進算法一，因而減少了分組在網絡中的傳輸，從而使網絡的控制開銷減小。

通過圖2可以看出，改進算法二由于每個節點在對分組進行轉發前都要先對節點剩余能量進行判斷，是否高于門限值，當節點能量小于門限值時，會丟棄分組，因此找到的路徑有可能不是最優路徑，因而時延略大于改進算法一，但是，當網絡對能量消耗要求較高，或者考慮延長網絡壽命時，用稍微大一點的時延來換取網絡較高壽命是值得的。

圖2　改進前后端到端時延比較

從圖3可以看出，改進算法二的平均跳數和改進算法一相差不大，由于剩余能量低的節點不處理分組，因此有些時候可能導致有些路徑不是最優，因而平均跳數略大于改進算法一。

圖3　改進前后平均跳數比較

下面，將CBR的數據流個數固定為2，改變發包速率，對改進前后路由算法的分組遞交率進行仿真分析，結果如圖4所示。

圖4　改進前后分組遞交率

改進算法二的初衷是延長網絡壽命，可以從節點的死亡個數和死亡節點出現的時間來評估網絡的生存時間，對改進算法一和改進算法二進行仿真分析。仿真參數設置如下：數據流類型采用CBR數據流，將數據包大小設置為100 byte，發包速率為2 p/s，節點初始能量值Estart設為1 000 J，下面隨著網絡運行時間增長，進行仿真分析，結果如圖5所示。

圖5　死亡節點個數

由圖5可知，ZBR算法死亡節點出現的時間最早，改進算法一次之，改進算法二最晚出現死亡節點。這是由于改進算法一控制了RREQ的傳播，因而網絡消耗比ZBR算法小，改進算法二在改進算法一的基礎上由于增加了節點能量控制，減少了剩余能量低的節點的分組轉發，降低了低能量節點的功耗，防止節點死亡過早。

4結語

提出的改進算法通過控制RREQ的廣播半徑和傳播方向，大大降低了網絡消耗，同時考慮了節點的剩余能量問題，在一定程度上延遲了網絡關鍵節點的死亡。但是由于是在NS2 仿真環境下進行的仿真分析，不可能完全模擬真實的網絡環境，無法估計在實際網絡中會發生的各種突發情況，及實際網絡中存在的無法避免的干擾等，并且，仿真環境都是在節點數量較少的情況下進行，當節點數量很大，或者電池本身容量很大或更換很方便的情況下，提出的改進算法的實用性還有待進一步的研究。

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JING Chao-hui.Research and Implementation of Voice Communication Technology based on IEEE802.15.4/Zigbee[D].Shanghai: Shanghai Jiaotong University,2008.

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Zigbee C+A Route Protocol

MING Fang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Guizhou Normal Univ.,Guiyang Guizhou 550025,China)

Abstract：With the rapid development of science and technology in recent years,how to quickly acquire information attracts much attention from the people.Again with the development of sensor and IoT technologies,the people begin their concerns on Zigbee technology.However,Zigbee,as a fairly new technology,needs prompt improvement in many fields,particularly in its route protocol,where large quantity of redundant packets exist,and a modified route algorithm is thus proposed.This algorithm,by comprehensively considering the shortest route,energy equilibrium,this algorithm could great reduce the network overhead,and improve the network lifetime.Finally simulation with NSZ indicates that this modified algorithm is theoretically feasible and applicable.

Key words：Zigbee ; network overhead; energy equilibrium；NS2 simulation

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.014

* 收稿日期：2015-09-05；修回日期：2015-12-15Received date:2015-09-05；Revised date：2015-12-15

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0194-05

作者簡介：

明芳(1988—)，女，碩士研究生，講師,主要研究方向為物聯網。