ZigBee路由协议算法的研究

杨 璐

(大连交通大学电气信息学院，辽宁大连 116028)

随着ZigBee技术在低速率、近距离、低功耗、低成本等领域的广泛应用。ZigBee网络［1］中的节点多采用电池进行供电，但由于电池的寿命有限及网络部署复杂等原因，使得网络因节点过早死亡，网络分割缩短了网络生存寿命，使得网络其他节点在重新建立传输路径的过程中造成能源浪费，因此，降低网络能耗具有重要意义。

ZigBee路由协议［2］是整个网络层的核心。其采用AODVjr和簇树算法相结合，以适应不同的网络拓扑结构［3］，ZigBee路由协议的工作过程如图1所示。而这种算法在某些条件下并不能有效地降低能耗，所以应合理地对路由协议进行改进，从而达到理想的网络性能。

1 ZigBee路由协议改进方案

实现降低路由能耗、延长网络寿命的改进方案有多种，多是从能量方面进行考虑，在为广大使用者提供了低功耗、低成本的同时，大量能量信息的处理加重了路由信息处理的负担，降低了运行速度。本文从众多研究方法中挑选出简单而高效的路由协议方法，并将两者进行结合，重新组合出一种基于能量同时又回归于ZigBee基本协议的新协议:寻找捷径路由与路由代价函数相结合的协议。整体修改方案如图2所示。

图1 ZigBee路由协议工作过程

1.1 捷径路由思想

捷径路由思想是Cluster－Tree改进协议［4］中提出的新思想。改进协议的主体思想为:在节点发送数据包到其父节点或子节点之前，检查其邻居表，并根据所提出的找寻捷径路径策略找到可以减少到目的节点路由成本的捷径节点，此节点可以作为到达目标节点的下一跳节点，而不必是父或子节点。帮助寻找从源节点到目的节点之间的一条跳数最小路径，以此改善网络的性能，从而降低网络的总体能量消耗，延长网络的生存寿命。

图2 改进方案流程图

捷径路由思想:首先定义一个路径P，路径包含了一个有序的节点集合［P1，P2，…，Pn］，其中 P1是路由路径中的源节点，Pn是目的节点。在这条路径当中，如果有一条链路Pi，Pj」，j＞ i+1，当这条新路径的损耗低于原路径时，将这条子路径Pi，Pj」称为是一个原Cluster－Tree算法的捷径路由路径(Crosscut)。如果一个节点X，满足以下3个条件，那么这个节点X就是节点Pi的捷径节点:(1)X是Pi的邻居节点，但不是Pi的父节点或子节点。(2)X也是路由路径P节点集中的一个节点。(3)X是一个在路由路径P有序节点集中，排在节点Pi后面的节点。

在不同数据传输方向下的整体捷径路由节点寻找过程如图3所示。

图3 当前节点寻找捷径路由流程图

由于网络中的复杂性，数据包传输方向多数可以分成上行和下行两部分，这种数据包称为混合型路由数据包。在此对这种类型的捷径路由的寻找进行说明。如果在原Cluster－Tree协议的路由路径中，可以发现有节点X是Pi的邻居列表中的一个邻居节点，但它既不是Pi的父节点又不是其子节点。从这个条件，可以推出

从X满足上式(1)，那么容易看出，X是源节点P1或目的节点Pn的父辈。从式(2)可以看出，节点X的深度大于或等于整个路径P所有节点中最小的深度。

通过路由路径中的源节点地址和目的节点地址，可以计算出源节点和目的节点所有的共同父辈节点。而共同父辈节点中最大的网络深度就是在整个路由路径中的所有节点的最小深度时，当节点X是路由路径中的一个节点，同时又满足式(1)和式(2)的条件，如果节点Pi是目的节点Pn的一个父辈节点，而Pi又是X的父辈节点，那么就可以推测出X一定是在路由路径P有序节点集中，排在节点Pi后面的节点;或者当节点Pi是源节点P1的父辈节点，而节点X是目的节点Pn的父辈节点，节点X的网络深度D(X)要小于节点Pi的网络深度D(Pi)，则X也在路由路径P中，排在节点Pi之后，上述两种情况，当数据包传送到节点Pi时，它选择的下一跳节点为节点X，也就是节点Pi的捷径节点，从而降低路由成本。

1.2 路由代价函数

上文中提到了捷径路由的想法，但只凭借寻找到捷径点并不能完全延长网络寿命，原因是当寻找的路径中所含节点的剩余能量低于某个安全值时，剩余的电量［5］并不能承担传递数据的能量负载［6］，那么这条路径就并非最优路径，反而使用这条路径会承担分割网络的风险，所以这里提到了路由代价函数［7］的能量计算函数，通过计算经过某路径的代价，得出这条路径被选择的安全系数，使得网络数据在传输过程中更稳定。

代价函数定义:在某时刻t路径j的路由代价为

α是系数(0≤α≤1)，f(ei)是某时刻t节点i的能量，Hj是路径j的跳数，路由代价函数定义如下

所以将RREQ修改如图4所示。

图4 改动的REEQ条目

修改RREQ的目的是:一个节点同时会接收到多个RREQ分组，通过比较RREQ条目中的Metric值，选择Metric最大的节点并将该节点进行记录，产生RREP回复给源节点，若该节点为中继节点，则继续将自己的 RREQ分组［8］进行转发，直至目的节点收到RREQ形成反向路径。因此，合理的路由代价函数设计，对找出最佳的节点延长网络生存周期是关键。

2 ZigBee改进路由算法仿真分析结果

通过对不同协议的性能比较与分析来说明新协议研究的可行性，因此本文利用NS－2［9］软件对ZigBee路由协议进行仿真，从仿真图中证明运用寻找捷径节点，并计算能量代价的算法能否有效降低网络能耗，并延长网络的有效运行时间。

以下仿真实验设定:网络节点数50个，网络运行时间50 s，场景大小1 000 m×1 000 m，节点移动最大速度50 m/s，图5和图6为在不同网络运行时间下得出ZigBee路由协议与改进协议的路由开销率与网络平均延时曲线。

图5 网络能耗仿真曲线

图6 平均时延仿真曲线

从图中可以看出，捷径节点的寻找大幅降低了整个网络的路由开销与平均延时值，并且改善了网络参数变化的不稳定情况，曲线程平缓变化。除此之外在图中也可以看出结合路由代价函数后进一步完善了整个路由协议，使得协议在不同的网络运行时间下的路由开销与延时又大幅降低。因此，根据以上分析，新协议可以降低开销、改善网络环境。

3 结束语

延长网络生存寿命、降低节点能耗的研究已经成为了一个热点问题，本文研究了寻找捷径路由的算法，提出了一种以路径节点的剩余能量作为参数的代价函数Metric，使网络在路由开销率与网络时延两方面被改善，并且保证了整个网络的安全稳定性。下一步工作将对环境参数进行修改，从而验证新思想的使用广泛性。

［1］沈旭瑾.基于ZigBee的无线传感器网络的研究与设计［D］.上海:上海师范大学，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］余向阳.无线传感器网络研究综述［J］.单片机嵌入式系统，2008(8):8－12.

［4］由凯文.基于ZigBee的无线传感器网络［D］.南京:南京邮电大学，2012.

［5］耿萌，于宏毅，张效义.ZigBee路由协议分析与性能评估［J］.计算机工程与应用，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.基于节能的AODV路由协议改进［D］.武汉:华中师范大学，2009.

［8］余斌，孙斌，温暖.NS2与网络模拟［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［9］闫倩倩，许勇，夏海燕.一种ZigBee路由协议的分析与改进［J］.计算机技术与发展，2009(19):59－62.