ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)樹狀路由協(xié)議研究

孫 靜，于 洋

(吉林師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 四平 136000)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是微電子技術(shù)、通訊技術(shù)及計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1].目前的無線通信技術(shù)主要致力于如何提高通信速率，而在智能家庭和工業(yè)控制領(lǐng)域，迫切需要一種低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無線通信技術(shù).為了滿足這種要求，在2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司成立了ZigBee聯(lián)盟，并于2004年12月，正式公布了無線通信技術(shù)ZigBee的1.0標(biāo)準(zhǔn).ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗的無線傳輸技術(shù)[2]，工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20kb/s～250kb/s，傳輸距離為10m～75m，為小型設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制制定的協(xié)議規(guī)范，主要適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域.它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信[3].

1 ZigBee協(xié)議

1.1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由三種節(jié)點(diǎn)組成，ZC(ZigBee協(xié)調(diào)器)，ZR(ZigBee路由節(jié)點(diǎn))，ZED(ZigBee葉子節(jié)點(diǎn)).ZC是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù).ZR負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息幀的路由，而ZED則是實(shí)現(xiàn)具體功能的單元.ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種拓?fù)湫问?，分別為：星型網(wǎng)(star)、簇樹網(wǎng)(cluster tree)和網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh)[2，3].

ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示，IEEE802.15.4定義的是PHY和MAC層[4].在MAC子層上面提供與上層的接口，可以直接與網(wǎng)絡(luò)層連接，或者通過中間子層——SSCS和LLC實(shí)現(xiàn)連接.ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[5].ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的主要功能為尋址、路由與安全，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree+AODVjr等路由算法.[6，7]

圖1 ZigBee協(xié)議棧

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為ZC，其它節(jié)點(diǎn)都是ZR或者ZED.全功能設(shè)備(FFD)可作為ZC和ZR，而簡化功能設(shè)備(RFD)只能作為ZED.網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)地址：16位短網(wǎng)絡(luò)地址和64位IEEE擴(kuò)展地址.16位網(wǎng)絡(luò)地址在結(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由其父結(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器/路由)動態(tài)分配，該地址僅用在路由或數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用，與Internet的IP類似.而64位擴(kuò)展地址類似于MAC地址，它唯一地標(biāo)識每個(gè)設(shè)備，是固定的.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種地址模式，即靜態(tài)地址分配和樹狀(tree)地址分配，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常采用簇樹網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)地址是由其父節(jié)點(diǎn)采用分布式地址分配方案進(jìn)行分配.ZC確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)深度，用以指示在其父子鏈路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器的最小跳數(shù).協(xié)調(diào)器的深度為0，而它的孩子節(jié)點(diǎn)的深度為1.顯然，多跳網(wǎng)絡(luò)中的深度是大于1的，網(wǎng)絡(luò)的深度是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來決定的.在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)一個(gè)父節(jié)點(diǎn)有最大孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)為Cm，網(wǎng)絡(luò)的最大深度為Lm，一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的最大路由數(shù)Rm，可以計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能函數(shù)Cskip(d)，其函數(shù)式為：

(1)

式中的d是節(jié)點(diǎn)到ZC的深度.如果Cskip(d)的值為0，則表明此節(jié)點(diǎn)為葉子節(jié)點(diǎn)，而Cskip(d)的值大于0，則表明該節(jié)點(diǎn)可作為一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，這個(gè)父節(jié)點(diǎn)可以接收子節(jié)點(diǎn)并根據(jù)它們是否具有路由能力來分配地址.具體過程是：首先一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的地址被分配，子節(jié)點(diǎn)地址比父節(jié)點(diǎn)的地址多1，然后其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)下式求出.

An=Aparent+Cskip(d)*Rm+n

(2)

式中1≤n≤(Cm-Rm)，Aparent代表父節(jié)點(diǎn)的地址.

1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種路由模式：網(wǎng)狀(mesh)路由和樹狀(tree)路由.網(wǎng)狀路由和AODV路由算法相似，樹狀路由也就是簇樹路由算法.本文針對ZigBee簇樹網(wǎng)的樹狀路由機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的剖析和研究.

樹狀路由非常適用于對時(shí)間要求敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSM).ZC或ZR接收到信息后，設(shè)備的地址通知ZC和ZR路由的目的.設(shè)備的地址計(jì)算方法使用Cskip(d-1)函數(shù)，之后通過簡單的比較得知該向父結(jié)點(diǎn)路由還是向子結(jié)點(diǎn)路由.即如果LocalAddress(A)

(3)

A是設(shè)備地址，D是目的地址，d是網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備深度.A

網(wǎng)狀路由使用路由表，ZC或ZR維護(hù)路由表.如果有目的路由表入口，則應(yīng)用路由表入口直接向目的發(fā)送信息.該路由機(jī)制支持非信標(biāo)使能模式.

2 樹狀路由協(xié)議分析

2.1 樹狀路由機(jī)制

圖2 網(wǎng)絡(luò)層幀格式

樹狀路由機(jī)制基于網(wǎng)絡(luò)層的地址模式[6]，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀格式[2，5]如圖2所示.

設(shè)備讀出幀信息中的路由域檢測目的地址.如果路由域的目的地址等于它本身的地址，則向上層傳送有效載荷；如果路由域目的地址不是設(shè)備的本身地址，需要根據(jù)公式(1)計(jì)算下一跳地址.如果是該設(shè)備的孩子地址(鄰居表檢測)，則向正確的孩子地址轉(zhuǎn)播該包；如果不是設(shè)備的孩子地址，設(shè)備根據(jù)公式3檢查該地址是否是其子孫，如果不是其子孫，則向它的父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播該包.樹狀路由機(jī)制的具體過程如圖3所示[7-9].

圖3 樹狀路由流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 建立簇樹網(wǎng)

表1 簇樹網(wǎng)模擬參數(shù)

建立一個(gè)簇樹網(wǎng)，模擬參數(shù)如表1所示.根據(jù)公式(1)計(jì)算簇樹網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的地址，結(jié)果如表2所示.

表2 ZigBee的簇樹網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)地址分配

以上網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和節(jié)點(diǎn)地址建立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 簇樹網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖3的簇樹網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)地址是0x000A的設(shè)備8向網(wǎng)絡(luò)地址是0x0005的設(shè)備5發(fā)送信息.信息路由如圖3的箭頭指示.根據(jù)圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，終端結(jié)點(diǎn)向sink結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是沿著父-子關(guān)系向根結(jié)點(diǎn)路由的，如每個(gè)結(jié)點(diǎn)向它的父結(jié)點(diǎn)中繼數(shù)據(jù).另一方面，傳感器到傳感器，sink結(jié)點(diǎn)到傳感器的通信，由ZigBee提供的層次地址模式，根據(jù)數(shù)據(jù)的終端地址，數(shù)據(jù)包沿著簇樹結(jié)構(gòu)向下或向上路由.即在圖4中，首先設(shè)備8組建數(shù)據(jù)包，它的有效載荷發(fā)向下一個(gè)設(shè)備，該數(shù)據(jù)幀內(nèi)容包括幀控制0400，目的地址0500，源地址0C00，距離00，序列號17和幀有效載荷.設(shè)備8是ZED，因而目的地址不可能是其子孫，這樣要向它的父節(jié)點(diǎn)設(shè)備6路由.從圖5的第一個(gè)信息幀可以看出，幀格式的控制域顯示這是數(shù)據(jù)幀，源地址是0x000C，目的地址是0x0009，這正是設(shè)備6的地址.因?yàn)樵O(shè)備1是ZC，它要向其孩子節(jié)點(diǎn)設(shè)備2路由.而在第四個(gè)數(shù)據(jù)幀可以看出源地址是0x0000，目的地址是0x0001，這是子設(shè)備2的地址.

圖5 信息路由

3 結(jié)束語

本文針對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樹狀路由協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的剖析和研究，并結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)對該協(xié)議進(jìn)行了測試，為其相關(guān)實(shí)現(xiàn)軟件的開發(fā)提供有價(jià)值的參考.

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