Zigbee網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法的仿真與實現(xiàn)

龐 毅，王 超，孫青林，陳增強

(南開大學(xué) 信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院，300071 天津)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)若干的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，十分適合擔(dān)當組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重任，有著重要的研究價值［1］.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求在有限供電的情況下對一定的監(jiān)測區(qū)域長時間進行監(jiān)控，由于節(jié)點數(shù)量巨大且具體位置未知，人工補充能量的方法已不適用，這就要求在不影響網(wǎng)絡(luò)功能的同時，盡可能地減小網(wǎng)絡(luò)能量消耗.尋找無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高能效的路由，建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，使網(wǎng)絡(luò)壽命延長已成為當今研究的熱點，而對網(wǎng)絡(luò)進行合理的層次劃分是這些研究熱點首先要解決的問題.但是，現(xiàn)在大部分的路由研究均假設(shè)網(wǎng)絡(luò)層次已經(jīng)劃分完畢，沒有具體給出網(wǎng)絡(luò)層次的劃分過程［2－10］.本文基于Zigbee技術(shù)，提出了一種建立環(huán)狀層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分層方法.采用改進的洪泛路由方法加以實現(xiàn)，通過在洪泛路由方法中加入層數(shù)更新機制與幀轉(zhuǎn)發(fā)控制機制，避免了資源浪費與數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題，優(yōu)化了環(huán)狀層次結(jié)構(gòu)的建立過程.

1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法

1.1 Zigbee原有分層方法不足

Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用的是一種簇樹狀的拓撲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中每個節(jié)點有一個層數(shù)，但這個層數(shù)只是反映節(jié)點是協(xié)調(diào)器的第幾代子節(jié)點，在一定情況下可以反映距離上的關(guān)系，但是在某一個節(jié)點的子設(shè)備已滿的情況下會出現(xiàn)層數(shù)無法反映實際距離的情況.如圖1所示，圖中黑色節(jié)點代表協(xié)調(diào)器，白色節(jié)點代表路由器和終端節(jié)點.

圖1 Zigbee原有分層方法示意圖

在網(wǎng)絡(luò)形成階段，節(jié)點A距離協(xié)調(diào)器較近，但此時協(xié)調(diào)器的子節(jié)點數(shù)已經(jīng)達到最大，不能容納新的節(jié)點加入，所以A選擇與其較近的另一個節(jié)點B加入網(wǎng)絡(luò)，此時A的層數(shù)為2，但實際上A距協(xié)調(diào)器的實際距離與層數(shù)為1的節(jié)點B相同.

1.2 洪泛路由

洪泛路由［11］是一種簡單實用的路由方法，它既不需要計算路由，也不需要維護路由表.當源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點時，源節(jié)點首先進行廣播，源節(jié)點的每一個鄰居節(jié)點都會收到數(shù)據(jù)，每個鄰居節(jié)點再把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各自的鄰居節(jié)點，如此繼續(xù)循環(huán)，直到數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點或數(shù)據(jù)包的生存周期變?yōu)榱?這種方式實現(xiàn)簡單，而且不需要為計算路由和維護網(wǎng)絡(luò)拓撲耗費資源，目前比較流行的路由方式，如按需矢量路由(AODV)、臨時順序路由算法(TORA)等路由方式，都是用洪泛的方式進行路由發(fā)現(xiàn)的.

洪泛路由也有其缺點，主要表現(xiàn)在盲目性和數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題上.洪泛是要求收到的數(shù)據(jù)全部進行轉(zhuǎn)發(fā)，是盲目的、沒有目的性的，導(dǎo)致全網(wǎng)的節(jié)點都會收到數(shù)據(jù)，但最終需要接收到該數(shù)據(jù)的節(jié)點只有一個，這就造成了巨大的能量資源的浪費.網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點可能多次收到同一個數(shù)據(jù)包，因為無論節(jié)點是否在源節(jié)點與目的節(jié)點之間的路徑上，都會接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這就使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)充滿了大量無用的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)的數(shù)據(jù)包會隨著節(jié)點數(shù)目的增多而幾何級的增長，當網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點較多時，就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題.

1.3 基于改進洪泛路由的網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層過程

本文根據(jù)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，對洪泛路由做了一些改進，使得在洪泛的過程中各節(jié)點記錄下自己的層次，減少了資源的浪費，同時也避免了數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題.Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要的任務(wù)是采集數(shù)據(jù)，最后的數(shù)據(jù)都需要匯集到協(xié)調(diào)器上，因此我們可以以協(xié)調(diào)器為中心，建立一個環(huán)型的網(wǎng)絡(luò)，各個環(huán)之間的距離相等，其中協(xié)調(diào)器的層數(shù)定義為0，其他節(jié)點的層數(shù)為該節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)包時，該數(shù)據(jù)包的最小轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù).

分層步驟如下:

(1)網(wǎng)絡(luò)建立后，協(xié)調(diào)器將自己的層數(shù)初始化為0，其他節(jié)點初始化層數(shù)為一極大值(大于本網(wǎng)絡(luò)最大估計層數(shù)即可);

(2)協(xié)調(diào)器發(fā)送分層確認幀，分層確認幀可以被任何節(jié)點收到;

(3)節(jié)點接收到分層確認幀時，根據(jù)層數(shù)更新機制更新自己的層數(shù)，即層數(shù)更新為當前層數(shù)和分層確認幀的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)之中的較小值，同時將分層確認幀轉(zhuǎn)發(fā)，直至分層確認幀分發(fā)到整個網(wǎng)絡(luò).節(jié)點可能會多次收到分層確認幀，為了防止資源浪費，引入幀轉(zhuǎn)發(fā)控制機制，即不對所有分層確認幀進行轉(zhuǎn)發(fā)，只轉(zhuǎn)發(fā)使更新層數(shù)變小的分層確認幀.

相應(yīng)的流程如圖2所示.

圖2 改進洪泛路由的環(huán)狀分層流程

2 分層方法的計算機仿真

本文使用NS2(Network Simulator Version 2)仿真平臺對提出的Zigbee網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法進行計算機仿真.NS2使用C++和OTcl語言混合編程，即需要在底層編寫C++代碼完成路由協(xié)議等組件的添加或修改，然后再編寫OTcl腳本仿真［12］.

由于NS2是免費開源的，因此研究者們可以對其進行完善與分享，其中 IEEE802.15.4和Zigbee的核心代碼為 City College of the City University of the New York的Jianliang Zheng編寫的，他完成了物理層和媒體接入控制層的仿真，在其基礎(chǔ)之上仿真了Zigbee協(xié)議.

2.1 Zigbee原有分層方法仿真

本仿真是對Zigbee原有的分層方法進行演示，仿真場景為50m*50m的場地中均勻分布21個節(jié)點(包括協(xié)調(diào)器)，仿真結(jié)果如圖3所示.圖中節(jié)點上方所顯示的為其地址，括號內(nèi)顯示的為父節(jié)點地址和節(jié)點所處的層數(shù).可以看出即使在節(jié)點均勻分布的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee也不能很好的劃分網(wǎng)絡(luò)層次.例如，節(jié)點1、9、13、19距離協(xié)調(diào)器均為10m，但19節(jié)點卻被劃分到了第3層，這是因為0節(jié)點(協(xié)調(diào)器)最多所能攜帶的子節(jié)點數(shù)為3，所以19節(jié)點不能成為0節(jié)點的子節(jié)點，而是選擇2號節(jié)點為父節(jié)點.

圖3 Zigbee原有分層方法仿真圖

2.2 基于改進洪泛路由的網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層仿真

對節(jié)點均勻分布與節(jié)點非均勻分布兩種情況進行仿真.節(jié)點均勻分布場景:在尺寸為50m*50m的場地中，均勻分布101個節(jié)點;節(jié)點非均勻分布場景:在尺寸為50 m×50 m的場地中，隨機分布101個節(jié)點.

仿真結(jié)果如圖4和圖5所示.圖4中可以明顯看出在均勻分布的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點被分為4個不同的層次，不同層次的節(jié)點以圓形、正方形、六邊形3種形狀來區(qū)分，節(jié)點上方所顯示的數(shù)字為節(jié)點的層數(shù)，同時層與層之間的間隔也是相等的.圖5中可以看出，即使在非均勻分布的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點同樣是被分成了4層，并且各層之間的界限比較清晰.

圖4 均勻網(wǎng)絡(luò)的環(huán)狀分層仿真

圖5 非均勻網(wǎng)絡(luò)的環(huán)狀分層仿真

3 環(huán)狀分層方法在CC2430 上的實現(xiàn)

CC2430芯片是TI/Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻芯片，是一個集成了所需設(shè)備的片上解決系統(tǒng)［13］.

3.1 網(wǎng)絡(luò)分層要求

分層需要將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按與協(xié)調(diào)器的距離分成不同的層次，最終目的是要實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)的跨層傳輸，這就要求節(jié)點應(yīng)有不同的發(fā)射功率，即不同的能級，不同的能級對應(yīng)不同的層次.例如協(xié)調(diào)器以第1級功率發(fā)送數(shù)據(jù)，則只有處于第1層的節(jié)點能夠收到，以第K級功率發(fā)送，則信號可以覆蓋到第K層.

3.2 CC2430的發(fā)射功率與傳輸距離研究

CC2430具有內(nèi)置的接收信號強度(RSSI)指示器，可通過寄存器RSSIL.VAL讀取并計算得出信號強度，從RSSIL.VAL讀出的值是8位有符號的二進制補碼，轉(zhuǎn)化成10進制，帶入公式1可以得出RSSI的值VRSSI

其中，VRSSI－OFFSET是固定的偏移量，是系統(tǒng)開發(fā)期間得到的經(jīng)驗值，在CC2430中?。?5.

在無線信號中普遍采用Shadowing［14］模型計算傳輸距離，計算公式如下:

式中:d是信號所傳輸?shù)木嚯x值，單位為米;p(d0)是在已知信號的傳輸距離為d0時，所接收到的信號強度;n是環(huán)境損耗指數(shù)，根據(jù)不同的環(huán)境取不同值;X［dBm］是均值為 0的隨機分布值.是接收到信號的平均強度.在實際的測量中，通常取d0=1，X［dBm］=0.將由公式1計算得出的VRSSI值帶入公式2，并推導(dǎo)得出公式3，以計算CC2430信號所能傳輸?shù)木嚯x:

其中A是在接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點相距1 m時的接收信號強度的絕對值.

當發(fā)射節(jié)點以最大功率(0 dBm)發(fā)射，接受節(jié)點以最小靈敏度接收數(shù)據(jù)時，VRSSI值為－85 dBm，此時實測得到A值為40，取n=2.5，帶入公式3，可得d=63.0 m.此為節(jié)點最遠傳輸距離.

CC2430的射頻輸出功率可以編程設(shè)置，從0 dBm到－25 dB m近似的分為8等份，可以通過RF寄存器控制，由于當發(fā)射功率為0 dBm時，A=40，那么可以推算出其他7個能級的A值，公式為

其中，F(xiàn)為不同能級對應(yīng)的發(fā)射功率.

由此我們可以計算出CC2430的8種不同的發(fā)射功率所對應(yīng)的傳輸距離，如表1所示.可以看出8個能級的發(fā)射距離基本上是等間距的，也就是說位于第1層的節(jié)點，可以使用第2能級的發(fā)射功率直接和第3層的節(jié)點通信.

表1 CC2430輸出功率與傳輸距離

3.3 環(huán)狀分層方法在CC2430上的實現(xiàn)

為了測試本網(wǎng)絡(luò)分層方法在實際節(jié)點中的運行效果，采用3個CC2430組成網(wǎng)絡(luò).其中節(jié)點0x0001(以組網(wǎng)時分配給節(jié)點的16位短地址作為節(jié)點的編號)和0x143E均處在協(xié)調(diào)器0x0000的1倍能級范圍內(nèi).

使用抓包工具對無線數(shù)據(jù)包進行分析，圖6和圖7分別為分層確認過程和協(xié)調(diào)器信息收集過程所抓取的數(shù)據(jù)包.

圖6 分層確認幀

圖6中APS Cluster Id為分層命令的編號0x0003，APS Payload中為分層確認幀被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，即相應(yīng)節(jié)點自己的層數(shù).圖中可以看出，節(jié)點0x0001和0x143E均收到了協(xié)調(diào)器發(fā)送的分層確認幀，并更新自己層數(shù).

圖7中APS Cluster Id為信息收集命令的編號0x0004，APS Payload中為相應(yīng)節(jié)點的層數(shù)信息(包括節(jié)點地址和層數(shù)).圖中可以看出，協(xié)調(diào)器0x0000首先發(fā)送信息收集命令，節(jié)點0x0001和0x143E在接收到命令后，將自己的層數(shù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器0x0000.

圖7 協(xié)調(diào)器信息收集過程中的數(shù)據(jù)包

4 結(jié)論

本文分析了Zigbee網(wǎng)絡(luò)原有分層方法的不足，提出了基于改進洪泛路由的網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法，充分利用了洪泛路由優(yōu)點，同時避免了資源浪費與數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題，適用于均勻網(wǎng)絡(luò)和非均勻網(wǎng)絡(luò)，為建立智能化的路由算法提供了良好的基礎(chǔ).在NS2中進行了仿真，將Zigbee的分層結(jié)果與改進洪泛路由的環(huán)狀分層結(jié)果對比分析，結(jié)果表明了環(huán)狀分層方法的優(yōu)越性.最后將環(huán)狀分層方法在CC2430上實現(xiàn)，在實際網(wǎng)絡(luò)中進行了測試，表明了此方法的可行性.

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