基于反向路由的Zigbee網絡本地修復機制改進

何智勇

(1.南京工業職業技術學院電氣工程學院, 江蘇 南京 210046；2. 南京工業職業技術學院江蘇風力發電工程技術中心, 江蘇 南京 210046)

Zigbee是一種低功耗、低成本、可靠性好的無線網絡技術，具有延時小和網絡容量大的特點[1-2]，目前主要應用于醫療、礦井、環境檢測等，無線傳感器網絡物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協議標準，網絡層采用Cluster-Tree路由算法[3]和AODVjr路由算法[4-5]，Cluster-Tree路由算法只需要根據網絡節點之間的父子關系進行轉發，路由方式簡單，不需要存儲路由表。AODVjr路由算法[5]可以在源節點與目的節點之間尋找最優路徑，節點路由發現過程通過廣播形式發送RREQ報文建立路由，節點能量消耗大，節點依靠電池供電，節點的電量絕大部分用于節點之間的分組轉發的通信消耗，由于網絡總體能量有限，特別是在協調器附近的高層節點，隨著網絡運行時間不斷增長，節點能量耗盡，導致網絡鏈路出現中斷，AODVjr路由算法采用本地修復機制，當網絡中出現鏈路中斷，故障鏈路的上游節點重新啟動路由發現過程，通過向網絡中廣播RREQ數據分組來啟動路由發現過程，尋找一條新的可達路由，在發現路由的過程中，鏈路上傳送的數據分組直接被丟失，網絡出現擁塞，延長了數據端到端時間，因此，局部鏈路的快速修復顯得非常重要。

Zigbee網絡國內外學者的研究熱點主要集中在路由局部修改過程中RREQ報文的處理方法和鏈路選擇方面。Shang等[6-7]研究協議運行機制，提出給每個局部修復進程分配優先級，來提高鏈路修復過程中網絡性能，但該算法只是在故障修復過程中對進程的優先級進行分類，沒有減少網絡鏈路中斷出現和對鏈路數據分組進行保護。肖靂[8]提出在網絡鏈路啟動本地修復過程中，首先對鏈路中斷位置上一處節點進行分析，由上游節點發送有限跳數的發現報文RREQ進行局部路由修復，但該算法路由發現過程是在鏈路中斷后啟動修復機制，不能減少因重建路由而產生的數據分組端到端時延。李子璇等[9]提出根據網絡鏈路最大剩余能量來選擇最佳路由，避免局部節點死亡導致的網絡分割，根據鏈路能量選擇路徑，延長網絡生命周期，但是該算法沒有考慮在節點能量耗盡出現死亡，網絡出現鏈路故障的情況。針對以上研究的不足，結合空閑路由節點反向路由機制，本文提出一種改進的Zigbee網絡本地修復機制ILRA-AODVjr(improved local repair algorithm-AODVjr)，通過向鄰居節點定期廣播一個具有兩跳生命周期反向路由構建報文S-RREQ，為ZigBee網絡產生多個備用局部路由，增加網絡中節點可達路由數量，提高網絡發現路由過程的效率，縮短網絡局部故障修復時間，減少數據分組丟失。

2 ZigBee故障機制存在的問題

圖1 AODVjr本地算法修復過程Fig.1 AODVjr local algorithm repair process

如圖1所示，在AODVjr路由算法建立路徑的過程中，源節點S要發送數據分組到目的節點D，S首先查找本身路由表，尋找源節點到目的節點的路徑，如果節點路由表不能找到目的節點的路由，由源節點S啟動路由發現過程，通過廣播RREQ 報文進行建立路由，路由建立成功后，發送數據分組到目的節點。在AODVjr路由算法中，節點選擇下一跳路由的原則是選擇先返回RREP報文的節點，隨著網絡運行時間增長，節點能量耗盡失效，導致鏈路中斷，特別是網絡中高層節點數據轉發頻繁，節點能量損耗快，網絡會提前出現分割現象。如圖1所示的網絡結構中，節點1是網絡關鍵節點，數據分組轉發頻繁，節點能量耗盡死亡，網絡出現鏈路中斷，{7，1}、{8，1}、{13，1}變成中斷鏈路不能發送數據分組，AODVjr啟動局部修復機制，由中斷鏈路的上游節點7重新啟動路由發現過程，向網絡中廣播發送RREQ報文再次尋找到目的節點的路由{S,6,7,2,8,12,13,14,D},由于RREQ是廣播發送，增加網絡節點的負擔，網絡中傳送的數據分組被直接丟棄，直接影響網絡傳輸效率，增大了網絡數據分組端到端時延。

3 ILRA-AODVjr算法提出

本文提出的改進的Zigbee網絡本地修復算法ILRA-AODVjr的基本思想是網絡節點處于空閑狀態時，即節點在一個時間段內除了與向鄰居節點發送KEEP_ALIVE報文進行路由維護之外，不進行任何其他數據分組的發送、轉發和接收，充分利用網絡節點空閑時間，通過空閑路由節點反向路由機制，向鄰居節點廣播一個具有兩跳生命周期反向路由構建報文S-RREQ，節點產生多個備用局部路由，減少路由發現等待過程，縮短網絡局部故障修復時間。

源節點通過路由發現過程建立鏈路之后，路由進入路由維護階段。在鏈路有效時間內，目的節點定期向源節點發送KEEP_ALIVE數據分組來維持鏈路信息，如果源節點成功收到KEEP_ALIVE數據分組，鏈路可達，否則認為鏈路失效，重新進行路由發現過程，KEEP_ALIVE路由維護報文發送如圖2所示。

圖2 ILRA-AODVjr算法產生備用路由過程Fig.2 Generation of a standby routing process by ILRA-AODVjr algorithm

在網絡運行過程中，路徑{S,6,7,2,8,12,13,14,D}的節點有數據分組發送，不屬于空閑鏈路。網絡中節點在一定周期Tidle內，系統設置的空閑超時時間為T，節點沒有任何數據分組、RREQ報文或RREP報文發送或者轉發，該節點處于空閑狀態。在整個Zigbee網絡中，同一時間內有很多的節點處于沒有數據分組轉發的狀態，以節點2為例，當節點2的Tidle>T，為了節省網絡資源，節點2向網絡發送生命周期為2的路由發現報文S-RREQ建立備用路由，算法具體執行步驟如下：

(1)空閑節點Tidle>T時，向鄰居節點發送TTL=2的路由發現報文S-RREQ，對2跳范圍內能到達的節點建立備用路由，收到S-RREQ數據分組的節點回復RREP報文進行路徑建立確認。

(2)備用路由建立成功后，節點定期對已建立的路由進行維護，讓已存在的備用路由不會因為超時被刪除，如圖2所示，節點2建立的備用路由{2，3，9}，{2，3，19}，{2，8，9}，{2，8，12}，{2，8，1}在鏈路時間到期，目的節點發送KEEP_ALIVE數據分組到節點2確定路由存在，刷新路由信息。

(3)節點發起新的路由過程后，節點向網絡中發送RREQ報文，空閑節點維護的路由表中有備用路由信息，節點19要發送數據分組到目的節點D，向網絡中廣播RREQ報文啟動路由發現過程，節點3收到RREQ報文，對比本身存儲的路由信息，由于節點有備用路由，節點3直接給節點19回復響應RREP報文確定鏈路的建立，大大提高了路由發現過程的效率。

(4)節點能量耗盡鏈路出現斷裂，網絡出現中斷，如節點1能量耗盡死亡，路徑{1，7}、{1，8}、{1，13}中斷，上游節點7發起局部路由修復機制，向全網發送RREQ報文，等待目的節點D回復RREP數據分組確定路由的建立，由于節點7到目的節點的跳多，響應時間慢。通過空閑路由節點反向路由信息，節點2收到節點7發起的路由發現報文后，查看自身的路由表，節點2維護的路由表中有到過目的節點的路由信息，節點2直接回復RREP報文給節點7，路由本地修復完畢，節點2到節點D的新路徑重新構建完畢，大大減少了網絡節點故障本地修復時間。

整個算法的流程如圖3 所示。

圖3 改進的路由算法處理過程Fig.3 Improved routing algorithm process

4 仿真分析

通過NS2平臺驗證本文提出的ILRA-AODVjr算法，仿真實驗中，網絡覆蓋面積為100×100，節點120個，信道數據傳輸率為200 kbit/s，節點初始能量為5 J，仿真時間為200 s，數據包長度為128 bit，本仿真實驗中，節點能量低于初始能量2%，節點被認為是死亡節點，系統設置空閑超時時間為T=0.01 s。仿真實驗從平均節點故障修復時間、數據分組端到端延時和網絡剩余能量比率三方面與AODVjr算法進行了比較。

4.1 節點故障平均修復時間

網絡運行后，改進ILRA-AODVjr路由算法與AODVjr算法節點故障平均修復時間對比圖見圖4，由于改進算法在網絡節點處于空閑狀態時，通過空閑路由節點反向路由機制，建立備用鏈路信息，在網絡中構建多條備用路由信息，網絡中節點能量耗盡死亡，網絡中出現鏈路中斷，由于ILRA-AODVjr路由算法中有備用鏈路存在，減少路由發現過程，縮短網絡局部故障修復時間，ILRA-AODVjr路由算法優于AODVjr路由算法。

4.2 數據分組端到端延時

數據分組端到端延時仿真結果見圖5，隨時間的增長，網絡中有節點能量耗盡死亡，節點數據分組端到端延時不斷增加，由于改進ILRA-AODVjr路由算法采用備用路由機制，提高了節點故障修復時間，避免了數據分組的丟失，ILRA-AODVjr路由算法優于AODVjr路由算法。

4.3 網絡剩余能量比率

網絡剩余能量比率仿真結果見圖6，隨網絡運行時間的增長，網絡中數據分組不斷發送需要消耗能量，AODVjr算法在網絡出現鏈路中斷后，AODVjr上游節點啟動路由發現過程，廣播RREQ報文，節點能量消耗快，改進的ILRA-AODVjr路由算法采用空閑路由節點反向路由機制，避免了RREQ報文泛洪，有效保護了節點剩余能量，網絡剩余能量比率ILRA-AODVjr路由算法優于AODVjr路由算法。

圖4 節點故障平均修復時間對比圖Fig.4 Comparison graph of the average repair time for node failure

圖5 數據分組端到端延時對比圖Fig.5 Comparison graph of data packet end-to-end delay

圖6 網絡剩余能量比率對比圖Fig.6 Comparison graph of Network Residual Energy Ratio

5 結語

本文在對Zigbee路由協議進行深入研究的基礎上，提出了改進ILRA-AODVjr路由算法，通過空閑路由節點反向路由機制，向鄰居節點發送TTL=2反向路由構建報文S-RREQ，在網絡中產生多個備用局部路由，當網絡高層節點能量耗盡，鏈路出現中斷后，減少路由發現等待過程，縮短網絡局部故障修復時間，減輕了網絡擁塞和延遲現象。通過仿真實驗，將改進ILRA-AODVjr路由算法與AODVjr路由算法進行比較，ILRA-AODVjr算法在節點故障平均修復時間和數據分組端到端延時方面有優勢，延長了網絡生命周期。

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