ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制及路由失效自修復(fù)研究

李清平，劉清華，傅幼萍

(1.浙江育英職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)分院，浙江 杭州 310018) (2.杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)貿(mào)易系，浙江 杭州 310023)

基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee是一種低功耗、近距離的WSN(Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))通訊技術(shù)，具有短時(shí)延、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)[1-4].作為一種新興的無線通信技術(shù)，ZigBee得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用.由于ZigBee聯(lián)盟直到2005年6月才推出技術(shù)規(guī)范[5]，因此對(duì)于IEEE802.15.4和ZigBee的研究仍處于活躍階段，目前主要存在以下幾方面的問題：(1)ZigBee的核心技術(shù)之一是動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，即網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)相隔一定時(shí)間，需要以無線信號(hào)交流的方式重新組網(wǎng)，這就涉及到網(wǎng)絡(luò)地址的分配機(jī)制問題;(2)由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中部署了大量微型無線傳感器，節(jié)點(diǎn)分布密集，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)除了自身作為信息采集點(diǎn)和執(zhí)行來自中心的命令外，還承擔(dān)著來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)任務(wù).當(dāng)由于能量耗盡、傳感器損壞、環(huán)境變化等因素導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)能否有效修復(fù)路由路徑、確保數(shù)據(jù)傳輸，也是技術(shù)瓶頸之一.

此外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗問題、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延問題以及傳輸距離問題，均為當(dāng)前ZigBee技術(shù)實(shí)際應(yīng)用亟待解決和完善之處[6-8].

1 ZigBee設(shè)備類型及網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基本單元是節(jié)點(diǎn)，按功能可分為全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和簡(jiǎn)化功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD).FFD可用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，連接協(xié)調(diào)器或另一個(gè)通信設(shè)備，還能發(fā)現(xiàn)其它FFD和RFD并建立通信聯(lián)系.RFD按最少RAM和ROM資源設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的收/發(fā)節(jié)點(diǎn)，能搜索現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，必要時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，向協(xié)調(diào)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)以節(jié)省電池能耗[9].

(1)協(xié)調(diào)器(Coordinator)：?jiǎn)?dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，具有最高權(quán)限，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)正常工作以及保持與網(wǎng)絡(luò)中其它設(shè)備的通信并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)ID的分配.一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器.

(2)路由器(Router)：一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)其它節(jié)點(diǎn)消息的轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)還具有為其它子節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)ID的功能，這就意味著路由器和終端設(shè)備可以不依賴協(xié)調(diào)器而自行構(gòu)成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò).

(3)終端設(shè)備(EndDevice)：具體執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)脑O(shè)備，不能轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)消息.

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)地址：64位的IEEE地址(MAC地址)和16位的網(wǎng)絡(luò)地址.64位的MAC地址是全球唯一地址，由IEEE組織來分配和維護(hù).16位網(wǎng)絡(luò)地址是節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)動(dòng)態(tài)分配的，用于設(shè)備識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸，僅在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用，采用邏輯樹層次機(jī)制進(jìn)行分配[9-10].

網(wǎng)絡(luò)地址是節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由其父節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配的，彼此形成父子關(guān)系，所有的節(jié)點(diǎn)共同組成樹狀邏輯關(guān)系，邏輯樹中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有兩個(gè)參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)地址A和網(wǎng)絡(luò)深度d，網(wǎng)絡(luò)深度表示僅僅采用父子關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)數(shù)據(jù)分組發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器所傳遞的最小跳數(shù)[10-11].

Coordinator是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，當(dāng)Coordinator建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它將給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址A0=0，網(wǎng)絡(luò)深度d0=0.如果節(jié)點(diǎn)i加入網(wǎng)絡(luò)，并且與節(jié)點(diǎn)k連接，那么父節(jié)點(diǎn)k將根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)地址AK和網(wǎng)絡(luò)深度dk，為子節(jié)點(diǎn)i分配網(wǎng)絡(luò)地址Ai和網(wǎng)絡(luò)深度di=dk+1，網(wǎng)絡(luò)地址Ai的算法為[10-11]：

(1)如果加入的是沒有路由功能的RFD節(jié)點(diǎn)，則：Ai=AK+Cskip(di)×Rm+i， 1≤i≤Cm-Rm.

(2)如果加入的是具有路由功能的FFD節(jié)點(diǎn)，則：Ai=AK+1+Cskip(di)×(i-1)， 1≤i≤Rm.式中

Cskip(d)=

(1)

式(1)中：Cskip(d)表示不同深度下父節(jié)點(diǎn)擁有的地址數(shù)；Cm表示父節(jié)點(diǎn)可以擁有的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)；Lm表示網(wǎng)絡(luò)最大深度；Rm表示父節(jié)點(diǎn)可以擁有的最大子路由節(jié)點(diǎn)數(shù).

以圖1為例說明網(wǎng)絡(luò)地址的分配算法.協(xié)調(diào)器Coordinator節(jié)點(diǎn)的Cskip(d)=31，所以Coordinator關(guān)聯(lián)的第1個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)Router1分配地址1，第2個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)Router2分配地址1+31=32，第3個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)Router3分配地址32+31=63，第4個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)Router4分配地址63+31=94，各個(gè)子路由器節(jié)點(diǎn)的地址以此類推.由于終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)Coordinator的Rm=4，所以第1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)EndDevice1的地址為0+31*4+1=125，第2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)EndDevice2的地址為0+31*4+2=126，可見網(wǎng)絡(luò)中所有同一父節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備的16位短地址都是連續(xù)的.

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配算法示意圖Fig.1 Diagram of address allocation algorithm of ZigBee network

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法及路由選擇

路由協(xié)議是自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的核心部分，ZigBee協(xié)議采用Cluster-Tree和AODVjr作為自身的路由算法，主要是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由，選擇路由并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化等，以達(dá)到成本低、功耗低、可靠性高的設(shè)計(jì)目標(biāo)[11-12].

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法

1)Cluster-Tree路由算法

Cluster-Tree算法按樹型結(jié)構(gòu)分層遍歷，節(jié)點(diǎn)根據(jù)目的網(wǎng)絡(luò)地址計(jì)算下一跳.假設(shè)網(wǎng)絡(luò)地址為A，網(wǎng)絡(luò)深度為d的路由節(jié)點(diǎn)收到目的地址位為D的數(shù)據(jù)分組，則根據(jù)

A

(2)

判斷是否為自己的子節(jié)點(diǎn).

如果是自己的子節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)發(fā)給子節(jié)點(diǎn)N.N由公式(3)確定,即

(3)

如果不是自己的子節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn).

2)AODVjr路由算法

AODVjr(AODV Junior)算法是一種按需分配的路由協(xié)議，是對(duì)AODV(Ad-Hoc On Demand Distance Vector)算法的一種簡(jiǎn)化改進(jìn).首先源節(jié)點(diǎn)以廣播的方式發(fā)送RREQ(Router Request，路由請(qǐng)求分組)，具有路由功能的節(jié)點(diǎn)收到消息后，建立反向路由，轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組，并將源節(jié)點(diǎn)到此節(jié)點(diǎn)的路由開銷添加到路由搜索表和RREQ中，直到目的節(jié)點(diǎn)收到此RREQ.目的節(jié)點(diǎn)選擇開銷最少的反向路由，將RREP(Router Replies，路由回復(fù)分組)返回源節(jié)點(diǎn)，同時(shí)所有接收到此RREP分組的節(jié)點(diǎn)都將更新自己的鄰居表，最終建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表.

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由策略

按有無路由功能，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可分為有路由功能的RN+節(jié)點(diǎn)(Coordinator設(shè)備、Router設(shè)備)和無路由功能的RN-節(jié)點(diǎn)(EndDevice設(shè)備).RN+節(jié)點(diǎn)有足夠的存儲(chǔ)空間和路由選擇能力，執(zhí)行AODVjr路由算法；RN-節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間受限，不具備路由選擇能力，收到分組后只能采用Cluster-Tree算法處理[12-14].不同規(guī)模下結(jié)合兩種算法的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)率和平均延時(shí)分別如圖2和圖3所示.

圖2 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)率Fig.2 Forwarding rate of nodes of different network scale

圖3 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的平均延時(shí)Fig.3 The average delay of different network scale

圖2和圖3顯示，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比例整體上呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)，平均延時(shí)逐漸減少，其原因在于隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展，同一區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密度也隨之增加，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)率不斷減小，平均延時(shí)因數(shù)據(jù)傳輸距離縮短，轉(zhuǎn)發(fā)效率提升而降低.

3 基于OPNET平臺(tái)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由失效自修復(fù)仿真

通過OPNET平臺(tái)，仿真ZigBee網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)失效后，其關(guān)聯(lián)的子節(jié)點(diǎn)如何重新找到路由路徑，從而體現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在無需人工干預(yù)情況下的自組織功能，并分析和評(píng)估由此對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響.

3.1 OPNET仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

OPNET是一個(gè)能夠準(zhǔn)確分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)性能和行為的仿真平臺(tái)，提供Process(進(jìn)程)、Node(節(jié)點(diǎn))和Network(網(wǎng)絡(luò))三層建模機(jī)制，三層模型完全對(duì)應(yīng)實(shí)際的協(xié)議、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)層次，用戶通過OPNET平臺(tái)能完整而深入了解網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特征.采用離散事件驅(qū)動(dòng)模擬機(jī)理和混合建模機(jī)制，把基于包的分析方法和基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)建模方法結(jié)合起來，在提高仿真效率的同時(shí)，可得到詳細(xì)的模擬結(jié)果[15-16].

3.2 場(chǎng)景設(shè)置及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)置一個(gè)2 000m×1 750m的ZigBee網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)中包含一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器Coordinator、一個(gè)ZigBee固定路由器Fixed_Router，一個(gè)ZigBee可移動(dòng)路由器Mobile_Router和兩個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)EndDevice1、EndDevice2.終端節(jié)點(diǎn)EndDevice1、EndDevice2都無法直接與協(xié)調(diào)器Coordinator進(jìn)行通信，必須通過各自關(guān)聯(lián)的父節(jié)點(diǎn)路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，EndDevice1通過Fixed_Router路由器接收轉(zhuǎn)發(fā)Coordinator傳送的數(shù)據(jù)分組，EndDevice2通過Mobile_Route路由器接收轉(zhuǎn)發(fā)Coordinator傳送的數(shù)據(jù)分組，如圖4所示的粗實(shí)線展示部分.當(dāng)Mobile_Route路由器沿著設(shè)定的白色細(xì)實(shí)線軌跡移動(dòng)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍之外時(shí)，模擬該節(jié)點(diǎn)“失效”后EndDevice2的路由重發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)分組新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑如圖4虛線展示部分.

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由失效前后數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)路徑拓?fù)鋱DFig.4 Topological graph of data packet forwarding path before and after the routing failure of ZigBee network

3.3 仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)置ZigBee仿真場(chǎng)景中所有節(jié)點(diǎn)的PAN ID為1，信號(hào)傳輸頻段為2 450MHz，發(fā)射功率為3mW，接收靈敏度為-85dBm.

dBm是無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率的絕對(duì)值，其計(jì)算公式為：10lg(p/1mW)

式中,p是以mW為單位的功率值.

場(chǎng)景中，仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為3mW，求得p=10lg3=4.77dBm ；因此，發(fā)射功率減去接收靈敏度的差值為4.77-(-85)=89.77dB.

自由空間路徑損耗公式為

FSPL=32.45+20lgd(C)+20lgf

(4)

式(4)中：FSPL(Free Space Path-Loss)單位為dB；d(C)為視距傳播距離，單位km；f為頻率，單位MHz.

已知f=2 450MHz，F(xiàn)SPL=89.77dB，由式(4)可得d(C)=0.299 80km=299.8m.

從部署的仿真場(chǎng)景可知Coordinator的坐標(biāo)(1 871，1 263)，EndDevice1的坐標(biāo)(673，970)，EndDevice2的坐標(biāo)(640，1 422)，由此可以計(jì)算EndDevice1、EndDevice2分別與Coordinator之間的直線距離D(E1-C)=1 233.31m、D(E2-C)=1 241.23m，兩者的值都大于視距傳播距離d(C)，說明兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)分組都無法通過協(xié)調(diào)器直接發(fā)送，且D(E1-C)和D(E2-C)兩者之間的直線距離D(E1- E2)=453.2m，也大于視距傳播距離d(C)，說明彼此之間的信號(hào)區(qū)域不會(huì)覆蓋重疊[16-18].因此終端節(jié)點(diǎn)EndDevice1、EndDevice2必須通過各自的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這為模擬其中某一父節(jié)點(diǎn)失效后重新建立路由并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)提供了可行性.

3.4 仿真結(jié)果分析

圖5顯示，Mobile_Route路由器沿著設(shè)定的軌跡移動(dòng)，大約在12min后離開ZigBee網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的路由功能“失效”.

圖5 Mobile_Route節(jié)點(diǎn)路由功能變化情況Fig.5 The variation of routing function of Mobile_Route node

圖6顯示，開始階段所有節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)發(fā)送和接收工作，數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)速率明顯加大，幾分鐘之后趨于平穩(wěn)，然后Mobile_Route路由器開始移動(dòng)至約12min后離開ZigBee網(wǎng)絡(luò)而路由功能“失效”，EndDevice2節(jié)點(diǎn)的接收速率因此而產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，在與Mobile_Route路由器失聯(lián)后，其數(shù)據(jù)接收中斷，但在較短時(shí)間內(nèi)重新恢復(fù)了與Coordinator協(xié)調(diào)器之間的通信，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較強(qiáng)的自我修復(fù)功能，同時(shí)也顯示了ZigBee網(wǎng)絡(luò)良好的魯棒性.

圖6 EndDevice2節(jié)點(diǎn)自我修復(fù)情況Fig.6 Self-healing of EndDevice2 node

路由節(jié)點(diǎn)“失效”后，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖兓鐖D7所示.由于受影響節(jié)點(diǎn)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，重新恢復(fù)中斷的收/發(fā)路徑，因此從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接收速率來看，路由節(jié)點(diǎn)的“失效”對(duì)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸影響較小，顯示了ZigBee網(wǎng)絡(luò)良好的收斂性.

圖8為Coordinator節(jié)點(diǎn)到EndDevice2節(jié)點(diǎn)的延時(shí)曲線.開始時(shí)節(jié)點(diǎn)延時(shí)增大，隨后因Mobile_Route的移動(dòng)引發(fā)延時(shí)曲線振蕩加劇，路由“失效”后，數(shù)據(jù)傳輸中斷，延時(shí)曲線陡然下降，但在很短時(shí)間內(nèi)Coordinator就將數(shù)據(jù)分組通過Fixed_Router傳送給EndDevice2節(jié)點(diǎn)，此時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延時(shí)曲線趨向平穩(wěn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的“失效”自修復(fù)能力.

圖7 ZigBee網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)分組接收情況Fig.7 Reception of the application layer data packet of each node in the ZigBee network

圖8 Coordinator節(jié)點(diǎn)到EndDevice2節(jié)點(diǎn)的延時(shí)情況Fig.8 Time delay from Coordinator node to EndDevice2 node

4 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN涉及嵌入式計(jì)算、無線傳感器、現(xiàn)代通信、分布式信息處理等交叉學(xué)科，為當(dāng)前無線組網(wǎng)技術(shù)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域.自組網(wǎng)能力強(qiáng)、自恢復(fù)能力強(qiáng)的無線自組網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee發(fā)展迅速，已在部分智能傳感器場(chǎng)景中得到應(yīng)用，智慧城市的建設(shè)和發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)ZigBee產(chǎn)品的推廣應(yīng)用和不斷更新.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在的問題主要體現(xiàn)在地址分配機(jī)制、節(jié)點(diǎn)能耗、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、傳輸距離以及路由失效自修復(fù)等方面.邏輯樹分配機(jī)制說明ZigBee網(wǎng)絡(luò)中同一父節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備的16位短地址都是連續(xù)的，結(jié)合Cluster-Tree和AODVjr路由算法的RN+節(jié)點(diǎn)和RN-節(jié)點(diǎn)路由選擇策略，使得網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比例隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大呈下降趨勢(shì)，平均延時(shí)逐漸減少，通過設(shè)置OPNET平臺(tái)的仿真場(chǎng)景和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了路由失效對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延時(shí)等性能產(chǎn)生的影響，通過路由收斂性驗(yàn)證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自我修復(fù)能力和網(wǎng)絡(luò)的魯棒性.

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