楊 璐

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連 116028)

隨著ZigBee技術(shù)在低速率、近距離、低功耗、低成本等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)［1］中的節(jié)點多采用電池進(jìn)行供電，但由于電池的壽命有限及網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜等原因，使得網(wǎng)絡(luò)因節(jié)點過早死亡，網(wǎng)絡(luò)分割縮短了網(wǎng)絡(luò)生存壽命，使得網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點在重新建立傳輸路徑的過程中造成能源浪費，因此，降低網(wǎng)絡(luò)能耗具有重要意義。

ZigBee路由協(xié)議［2］是整個網(wǎng)絡(luò)層的核心。其采用AODVjr和簇樹算法相結(jié)合，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3］，ZigBee路由協(xié)議的工作過程如圖1所示。而這種算法在某些條件下并不能有效地降低能耗，所以應(yīng)合理地對路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到理想的網(wǎng)絡(luò)性能。

1 ZigBee路由協(xié)議改進(jìn)方案

實現(xiàn)降低路由能耗、延長網(wǎng)絡(luò)壽命的改進(jìn)方案有多種，多是從能量方面進(jìn)行考慮，在為廣大使用者提供了低功耗、低成本的同時，大量能量信息的處理加重了路由信息處理的負(fù)擔(dān)，降低了運行速度。本文從眾多研究方法中挑選出簡單而高效的路由協(xié)議方法，并將兩者進(jìn)行結(jié)合，重新組合出一種基于能量同時又回歸于ZigBee基本協(xié)議的新協(xié)議:尋找捷徑路由與路由代價函數(shù)相結(jié)合的協(xié)議。整體修改方案如圖2所示。

圖1 ZigBee路由協(xié)議工作過程

1.1 捷徑路由思想

捷徑路由思想是Cluster－Tree改進(jìn)協(xié)議［4］中提出的新思想。改進(jìn)協(xié)議的主體思想為:在節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包到其父節(jié)點或子節(jié)點之前，檢查其鄰居表，并根據(jù)所提出的找尋捷徑路徑策略找到可以減少到目的節(jié)點路由成本的捷徑節(jié)點，此節(jié)點可以作為到達(dá)目標(biāo)節(jié)點的下一跳節(jié)點，而不必是父或子節(jié)點。幫助尋找從源節(jié)點到目的節(jié)點之間的一條跳數(shù)最小路徑，以此改善網(wǎng)絡(luò)的性能，從而降低網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存壽命。

圖2 改進(jìn)方案流程圖

捷徑路由思想:首先定義一個路徑P，路徑包含了一個有序的節(jié)點集合［P1，P2，…，Pn］，其中 P1是路由路徑中的源節(jié)點，Pn是目的節(jié)點。在這條路徑當(dāng)中，如果有一條鏈路Pi，Pj」，j＞ i+1，當(dāng)這條新路徑的損耗低于原路徑時，將這條子路徑Pi，Pj」稱為是一個原Cluster－Tree算法的捷徑路由路徑(Crosscut)。如果一個節(jié)點X，滿足以下3個條件，那么這個節(jié)點X就是節(jié)點Pi的捷徑節(jié)點:(1)X是Pi的鄰居節(jié)點，但不是Pi的父節(jié)點或子節(jié)點。(2)X也是路由路徑P節(jié)點集中的一個節(jié)點。(3)X是一個在路由路徑P有序節(jié)點集中，排在節(jié)點Pi后面的節(jié)點。

在不同數(shù)據(jù)傳輸方向下的整體捷徑路由節(jié)點尋找過程如圖3所示。

圖3 當(dāng)前節(jié)點尋找捷徑路由流程圖

由于網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)包傳輸方向多數(shù)可以分成上行和下行兩部分，這種數(shù)據(jù)包稱為混合型路由數(shù)據(jù)包。在此對這種類型的捷徑路由的尋找進(jìn)行說明。如果在原Cluster－Tree協(xié)議的路由路徑中，可以發(fā)現(xiàn)有節(jié)點X是Pi的鄰居列表中的一個鄰居節(jié)點，但它既不是Pi的父節(jié)點又不是其子節(jié)點。從這個條件，可以推出

從X滿足上式(1)，那么容易看出，X是源節(jié)點P1或目的節(jié)點Pn的父輩。從式(2)可以看出，節(jié)點X的深度大于或等于整個路徑P所有節(jié)點中最小的深度。

通過路由路徑中的源節(jié)點地址和目的節(jié)點地址，可以計算出源節(jié)點和目的節(jié)點所有的共同父輩節(jié)點。而共同父輩節(jié)點中最大的網(wǎng)絡(luò)深度就是在整個路由路徑中的所有節(jié)點的最小深度時，當(dāng)節(jié)點X是路由路徑中的一個節(jié)點，同時又滿足式(1)和式(2)的條件，如果節(jié)點Pi是目的節(jié)點Pn的一個父輩節(jié)點，而Pi又是X的父輩節(jié)點，那么就可以推測出X一定是在路由路徑P有序節(jié)點集中，排在節(jié)點Pi后面的節(jié)點;或者當(dāng)節(jié)點Pi是源節(jié)點P1的父輩節(jié)點，而節(jié)點X是目的節(jié)點Pn的父輩節(jié)點，節(jié)點X的網(wǎng)絡(luò)深度D(X)要小于節(jié)點Pi的網(wǎng)絡(luò)深度D(Pi)，則X也在路由路徑P中，排在節(jié)點Pi之后，上述兩種情況，當(dāng)數(shù)據(jù)包傳送到節(jié)點Pi時，它選擇的下一跳節(jié)點為節(jié)點X，也就是節(jié)點Pi的捷徑節(jié)點，從而降低路由成本。

1.2 路由代價函數(shù)

上文中提到了捷徑路由的想法，但只憑借尋找到捷徑點并不能完全延長網(wǎng)絡(luò)壽命，原因是當(dāng)尋找的路徑中所含節(jié)點的剩余能量低于某個安全值時，剩余的電量［5］并不能承擔(dān)傳遞數(shù)據(jù)的能量負(fù)載［6］，那么這條路徑就并非最優(yōu)路徑，反而使用這條路徑會承擔(dān)分割網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險，所以這里提到了路由代價函數(shù)［7］的能量計算函數(shù)，通過計算經(jīng)過某路徑的代價，得出這條路徑被選擇的安全系數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在傳輸過程中更穩(wěn)定。

代價函數(shù)定義:在某時刻t路徑j(luò)的路由代價為

α是系數(shù)(0≤α≤1)，f(ei)是某時刻t節(jié)點i的能量，Hj是路徑j(luò)的跳數(shù)，路由代價函數(shù)定義如下

所以將RREQ修改如圖4所示。

圖4 改動的REEQ條目

修改RREQ的目的是:一個節(jié)點同時會接收到多個RREQ分組，通過比較RREQ條目中的Metric值，選擇Metric最大的節(jié)點并將該節(jié)點進(jìn)行記錄，產(chǎn)生RREP回復(fù)給源節(jié)點，若該節(jié)點為中繼節(jié)點，則繼續(xù)將自己的 RREQ分組［8］進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直至目的節(jié)點收到RREQ形成反向路徑。因此，合理的路由代價函數(shù)設(shè)計，對找出最佳的節(jié)點延長網(wǎng)絡(luò)生存周期是關(guān)鍵。

2 ZigBee改進(jìn)路由算法仿真分析結(jié)果

通過對不同協(xié)議的性能比較與分析來說明新協(xié)議研究的可行性，因此本文利用NS－2［9］軟件對ZigBee路由協(xié)議進(jìn)行仿真，從仿真圖中證明運用尋找捷徑節(jié)點，并計算能量代價的算法能否有效降低網(wǎng)絡(luò)能耗，并延長網(wǎng)絡(luò)的有效運行時間。

以下仿真實驗設(shè)定:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)50個，網(wǎng)絡(luò)運行時間50 s，場景大小1 000 m×1 000 m，節(jié)點移動最大速度50 m/s，圖5和圖6為在不同網(wǎng)絡(luò)運行時間下得出ZigBee路由協(xié)議與改進(jìn)協(xié)議的路由開銷率與網(wǎng)絡(luò)平均延時曲線。

圖5 網(wǎng)絡(luò)能耗仿真曲線

圖6 平均時延仿真曲線

從圖中可以看出，捷徑節(jié)點的尋找大幅降低了整個網(wǎng)絡(luò)的路由開銷與平均延時值，并且改善了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化的不穩(wěn)定情況，曲線程平緩變化。除此之外在圖中也可以看出結(jié)合路由代價函數(shù)后進(jìn)一步完善了整個路由協(xié)議，使得協(xié)議在不同的網(wǎng)絡(luò)運行時間下的路由開銷與延時又大幅降低。因此，根據(jù)以上分析，新協(xié)議可以降低開銷、改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3 結(jié)束語

延長網(wǎng)絡(luò)生存壽命、降低節(jié)點能耗的研究已經(jīng)成為了一個熱點問題，本文研究了尋找捷徑路由的算法，提出了一種以路徑節(jié)點的剩余能量作為參數(shù)的代價函數(shù)Metric，使網(wǎng)絡(luò)在路由開銷率與網(wǎng)絡(luò)時延兩方面被改善，并且保證了整個網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定性。下一步工作將對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行修改，從而驗證新思想的使用廣泛性。

［1］沈旭瑾.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計［D］.上海:上海師范大學(xué)，2009.

［2］MAHLKNECHT S，MADANI SA，ROETZERT M.Energy aware distance vector routing scheme for data centric low power wireless sensor networks［C］.Paris:IEEE International Conference on Industrial Informatics，2006:1030 －1035.

［3］余向陽.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述［J］.單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，2008(8):8－12.

［4］由凱文.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［D］.南京:南京郵電大學(xué)，2012.

［5］耿萌，于宏毅，張效義.ZigBee路由協(xié)議分析與性能評估［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007(43):116 －120.

［6］CHANGJ，TASSIULASL.Energy conserving routing in wireless Ad Hoc networks［R］.New York:IEEE Infocom Institute，2000:22 －31.

［7］瞿磊.基于節(jié)能的AODV路由協(xié)議改進(jìn)［D］.武漢:華中師范大學(xué)，2009.

［8］余斌，孫斌，溫暖.NS2與網(wǎng)絡(luò)模擬［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［9］閆倩倩，許勇，夏海燕.一種ZigBee路由協(xié)議的分析與改進(jìn)［J］.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009(19):59－62.