ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及三種路由協(xié)議的原理介紹

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, Wireless Sensor Network）采用微小型的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取信息，節(jié)點(diǎn)之間具有自動(dòng)組網(wǎng)和協(xié)同工作能力，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線通信方式，采集和處理網(wǎng)絡(luò)中的信息，發(fā)送給觀察者。目前WSN 使用的無線通訊技術(shù)過于復(fù)雜，非常耗電，成本很高。而ZigBee是一種短距離、低成本、低功耗、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其優(yōu)劣直接影響著網(wǎng)絡(luò)的性能。這里的工作就是在分析研究了多種應(yīng)用在WSN 上的路由協(xié)議之后，對(duì)比分析ZigBee 路由算法，分析得出各自優(yōu)劣及其適用的環(huán)境，為路由協(xié)議設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 WSN中路由算法研究

1.1 AODV 協(xié)議

AODV是逐跳的按需距離向量路由協(xié)議。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)沒有已知的路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，廣播一個(gè)請(qǐng)求消息（RREQ），每個(gè)接收到RREQ 的中間節(jié)點(diǎn)記錄下到源節(jié)點(diǎn)的逆向路徑（以便為之后的應(yīng)答消息（RREP）提供路由），然后重新廣播RREQ.當(dāng)RREQ 到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)利用記錄在報(bào)文中的逆向路徑發(fā)送RREP.如果中間節(jié)點(diǎn)知道最新的指向目的節(jié)點(diǎn)的路由，它就代替目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP.每個(gè)接收到RREP 的節(jié)點(diǎn)以相同的方式記錄下本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，以便為將來數(shù)據(jù)分組報(bào)文的到來提供路由服務(wù)。

1.2 LEACH 路由協(xié)議

LEACH[5]是MIT 的Heinzelman 等人提出的基于簇的數(shù)據(jù)融合的層次型路由算法。該算法以輪為單位計(jì)算網(wǎng)絡(luò)周期。每一輪從建立階段開始，即節(jié)點(diǎn)自組織成一個(gè)一個(gè)的簇，然后進(jìn)入穩(wěn)定階段，即成員節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)發(fā)送給其簇首節(jié)點(diǎn)，然后簇首節(jié)點(diǎn)將所收成員的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，發(fā)送給基站。

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持兩種類型的物理設(shè)備：全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（FFD）和半功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（RFD）。FFD 節(jié)點(diǎn)通常作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由，能和任何設(shè)備通信；RFD 節(jié)點(diǎn)只能作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)本地信息收集和數(shù)據(jù)處理，只能和FFD 節(jié)點(diǎn)通信。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持三種節(jié)點(diǎn)類型：主節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)即協(xié)調(diào)器，必須由FFD 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它是網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并下發(fā)地址。路由節(jié)點(diǎn)也是FFD 節(jié)點(diǎn)，搜索網(wǎng)絡(luò)并加入，給加入路由的終端節(jié)點(diǎn)分配地址。終端節(jié)點(diǎn)可以是FFD 節(jié)點(diǎn)或者RFD 節(jié)點(diǎn)。ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星型網(wǎng)絡(luò)、樹簇型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。

圖1 ZigBee 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)有一個(gè)目的序列號(hào)用于判斷更新路由。節(jié)點(diǎn)廣播HELLO 消息來維護(hù)本地鄰居表及其一跳內(nèi)的鏈路。

2.1 ZigBee 中的路由算法

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)常見的路由算法有Cluster-Tree、AODVjr 和Cluster-Tree+AODVjr 等。ZigBee 路由通常采用Cluster-Tree與AODVjr 相結(jié)合的路由算法。

2.1.1 Cluster-Tree

Cluster-Tree 是一種邏輯鏈路和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，使用鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包建立一個(gè)簡(jiǎn)單的簇網(wǎng)絡(luò)或是一個(gè)潛在的更大型的簇樹網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力，并支持網(wǎng)絡(luò)冗余，有一定的錯(cuò)誤冗余度和自修復(fù)能力。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)形成父子關(guān)系，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，父節(jié)點(diǎn)將為其分配地址。分配機(jī)制如下：根據(jù)式（1），父節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)分配地址，其中C 為父節(jié)點(diǎn)包容的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)，R 為參與路由的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)，L 為網(wǎng)絡(luò)的最大深度，d 為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)深度，A 為節(jié)點(diǎn)地址。為第n個(gè)RFD 分地址為式（2）；為第n 個(gè)FFD 分配地址為式（3）。

網(wǎng)絡(luò)路徑上的下一跳節(jié)點(diǎn)地址分配如下：對(duì)于地址為A的節(jié)點(diǎn)，如果滿足式（4），則地址為D 的節(jié)點(diǎn)為該節(jié)點(diǎn)后代：

如果滿足式（5），則下一跳為終端后代，地址為N = D ,否則，地址為式（6）。

2.1.2 AODVjr

AODVjr 具有AODV 的主要功能，但考慮到降低成本、節(jié)能、使用的方便性等因素，對(duì)AODV 作了一些簡(jiǎn)化。①?zèng)]有使用目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)，并規(guī)定只有目的節(jié)點(diǎn)可以回復(fù)RREP;②不存在"先驅(qū)節(jié)點(diǎn)列表",簡(jiǎn)化了路由表結(jié)構(gòu)；③節(jié)點(diǎn)不發(fā)送HELLO 分組，僅根據(jù)收到的分組或者M(jìn)AC 層提供的信息更新鄰居節(jié)點(diǎn)列表；④RERR 消息格式僅包含一個(gè)不可到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)。

另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)有一個(gè)目的序列號(hào)用于判斷更新路由。節(jié)點(diǎn)廣播HELLO 消息來維護(hù)本地鄰居表及其一跳內(nèi)的鏈路。

3 路由仿真

文中基于NS-2.34 模擬仿真軟件對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行仿真。

NS即網(wǎng)絡(luò)模擬，是面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，可以完整地模擬整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題。

在NS2 下分別仿真ZigBee 路由和AODV 協(xié)議，以比較兩者的實(shí)現(xiàn)效果。采用101 個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在（100m×100m）的空間中， 消息長度設(shè)置為500 byte,運(yùn)行時(shí)間200 s.每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，均為2 J.rxPower 和txPower 都設(shè)為0.3 W.通訊距離設(shè)為25 m,消息發(fā)送間隔設(shè)為0.05 s,以802.15.4 為底層。ZigBee 簇樹數(shù)量為：set Cm 4;set Lm 7.源節(jié)點(diǎn)（84.124781416787201, 85.201271942444734），目的節(jié)點(diǎn)（0,0）。

在仿真運(yùn)行到151 s 時(shí)，ZigBee 和AODV 中各節(jié)點(diǎn)的剩余能量如圖2 所示，除了一部分節(jié)點(diǎn)的剩余能量大致相同外，大部分AODV 節(jié)點(diǎn)的剩余能量比ZigBee 節(jié)點(diǎn)多，即ZigBee能量消耗相比AODV 較多。這表明采用Cluster-Tree+AODVjr的ZigBee 路由算法在能量損耗上，并不比AODV 節(jié)省，反而消耗更多能量。

圖2 節(jié)點(diǎn)剩余能量

圖3 顯示，Zigbee 節(jié)點(diǎn)在151 s 之后有71 個(gè)存活節(jié)點(diǎn)；AODV 節(jié)點(diǎn)在151 s 之后有80 個(gè)存活節(jié)點(diǎn)，在181 s 之后仍有70 個(gè)存活節(jié)點(diǎn)。Zigbee 在151 s 之后，網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)停止，而AODV 在181 s 之后網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)才停止?？芍珹ODV 網(wǎng)絡(luò)在151 s 之后發(fā)現(xiàn)第二條路徑，繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間延長。

圖3 網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)

4 結(jié)語

由于AODVjr 主要適用于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)最新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，但在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓苈臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，AODVjr就顯得太過復(fù)雜，導(dǎo)致Zigbee 路由能耗過大。而LEACH 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了所有節(jié)點(diǎn)間能量均勻分布的分群自適應(yīng)算法和群首位置循環(huán)算法，節(jié)省了通信資源，降低了節(jié)點(diǎn)能耗，大大提高系統(tǒng)壽命。因此，以LEACH 為參照修改Zigbee 路由協(xié)議，將更有利于延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

仿真結(jié)果表明，采用Cluster-Tree+AODVjr 的Zigbee 路由，沒有考慮到節(jié)點(diǎn)在通信和路由處理過程中能量的變化，能量損耗超過了AODV,限制了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。因此，Zigbee 路由算法應(yīng)更注重節(jié)能設(shè)計(jì)。