ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層的路由算法分析

1、ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層的路由算法分析摘要基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種具有強(qiáng)大組網(wǎng)才能的新型無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，其中的路由算法是研發(fā)工作的重點(diǎn)。本文介紹了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議模型，重點(diǎn)研究了ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的路由算法，分析了Tree路由及Z-ADV路由算法，在此根底上提出了ZigBee網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)中基于數(shù)據(jù)特性的路由選擇機(jī)制，該機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)性能和低功耗方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且可以平衡節(jié)點(diǎn)能量，最后簡(jiǎn)單介紹了ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞ZigBee協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)；IEEE802.15.4；路由算法；Tree路由；Z-ADV路由1概述ZigBee

2、技術(shù)是由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司在2002年10月共同提出設(shè)計(jì)研究開(kāi)發(fā)的具有低本錢、體積孝能量消耗小和傳輸速率低的無(wú)線通信技術(shù)。2000年12月，IEEE802無(wú)線個(gè)域網(wǎng)PAN，irelessPersnalAreaNetrk小組成立，致力于PAN無(wú)線傳輸協(xié)議的建立。2022年12月，IEEE正式發(fā)布了該技術(shù)物理層和A層所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2022年12月，ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層PHY和媒體接入層A的根底上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用

3、層，正式發(fā)布了基于IEEE802.15.4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2網(wǎng)絡(luò)層的研究ZigBee技術(shù)的體系構(gòu)造主要由物理層PHY、媒體接入層A、網(wǎng)絡(luò)/平安層以及應(yīng)用框架層組成，各層之間的分布如圖1所示。圖1ZigBee技術(shù)協(xié)議組成PHY層的特征是啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量、信道選擇、去除信道評(píng)估A以及通過(guò)物理媒體對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)展發(fā)送和接收。A層可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)癥發(fā)送連接及斷開(kāi)連接懇求，還為應(yīng)用適宜的平安機(jī)制提供一些方法。它包含具有時(shí)間同步信標(biāo)的可選超幀構(gòu)造，采用免碰撞的載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)SA-A。平安層主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。網(wǎng)絡(luò)層主要用于ZigBee的

4、LR-PAN網(wǎng)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理等。應(yīng)用框架層主要負(fù)責(zé)向用戶提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口API，包括應(yīng)用子層支持APSAppliatinSub-layerSupprt、ZigBee設(shè)備對(duì)象ZDZigBeeDeviebjet等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理，為ZigBee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對(duì)ZigBee技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)層的定義包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)建立、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、路由及路由的維護(hù)。2.1ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造ZigBee定義了三種拓?fù)錁?gòu)造：星型拓?fù)錁?gòu)造Star，主要為一個(gè)節(jié)點(diǎn)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單通信設(shè)計(jì)；樹(shù)型拓?fù)錁?gòu)造Tree，使用分等級(jí)的樹(shù)型路由機(jī)制；網(wǎng)格型拓?fù)錁?gòu)造esh，將Z-A

5、DV和分等級(jí)的樹(shù)型Tree路由相結(jié)合的混合路由方法。三種拓?fù)錁?gòu)造如圖2所示。圖2網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)錁?gòu)造ZigBee定義了三種設(shè)備類型：ZigBee協(xié)調(diào)器ZigBeerdinatr，Z，用于初始化網(wǎng)絡(luò)信息，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)Z；ZigBee路由器ZigBeeRuter，ZR，它起監(jiān)視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器；ZigBee終端設(shè)備ZigBeeEndDevie，ZED，它只有監(jiān)視或控制功能，不能做路由或中繼之用。在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，ZED被稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備Redued-FuntinDevie，RFD，Z和ZR被稱作全功能設(shè)備Full-FuntinDevie，F(xiàn)FD。2.2網(wǎng)絡(luò)層

6、路由算法的分析網(wǎng)絡(luò)層支持Tree、Z-ADV、Tree+Z-ADV等多種路由算法。2.2.1ADV路由協(xié)議DSDVdestinatin-sequeneddistane-vetr協(xié)議是一個(gè)基于傳統(tǒng)的BellanFrd路由機(jī)制的表驅(qū)動(dòng)算法，被認(rèn)為是最早的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。DSDV在傳統(tǒng)的distane-vetr算法的根底上采用了序列號(hào)機(jī)制，用于區(qū)分路由的新舊程度，防止distane-vetr算法可能產(chǎn)生的路由環(huán)路。DSDV采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)技術(shù)控制路由表的傳送，即每個(gè)挪動(dòng)節(jié)點(diǎn)在本地都保存一張路由表，其中包括所有有效目的節(jié)點(diǎn)、路由跳數(shù)、目的節(jié)點(diǎn)路由序列號(hào)等信息，目的節(jié)點(diǎn)路由序列號(hào)用于區(qū)別有效

7、和過(guò)期的路由信息以防止環(huán)路的產(chǎn)生。DSRdynaisureruting協(xié)議是最早采用按需路由思想的路由協(xié)議，包括路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)兩個(gè)過(guò)程。它的主要特點(diǎn)是使用了源路由機(jī)制進(jìn)展數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。ADV(ad-hn-deanddistanevetr)協(xié)議在DSDV協(xié)議的逐跳路由、序列號(hào)、定期播送機(jī)制根底上，參加了DSR的按需路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)機(jī)制。ADV在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)隱式保存了路由懇求和應(yīng)答的結(jié)果，并利用擴(kuò)展環(huán)搜索expandingringresearh的方法限制搜索發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)的范圍。ADV支持組播功能，支持QS，而且ADV使用IP地址，便于同Internet連接。但ADV基于雙向信道的假設(shè)，路由應(yīng)答數(shù)據(jù)包直

8、接沿著路由懇求的反方向回溯到源節(jié)點(diǎn)，因此不支持單向信道。與DSDV保存完好的路由表不同的是，ADV通過(guò)建立按需路由來(lái)減少路由播送的次數(shù)，這是ADV對(duì)DSDV的重要改良。與DSR相比，ADV的好處在于源路由并不需要包括在每一個(gè)數(shù)據(jù)包中，這樣會(huì)降低路由協(xié)議的開(kāi)銷。ADV是一個(gè)純粹的按需路由協(xié)議，那些不在途徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不保存路由信息，也不參與路由表的交換。2.2.2Z-ADV能量平衡路由在ZigBee路由標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有過(guò)多的考慮能量控制，但是對(duì)于adh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，能量控制非常重要。因此提出了能量控制策略來(lái)改良ZigBee路由。它將使節(jié)點(diǎn)防止用盡所有能量以致于過(guò)早的失去作用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)想要選擇途徑時(shí)，它將考慮

9、途徑上的節(jié)點(diǎn)的剩余能量。Z-ADV算法是針對(duì)ADVAdh按需間隔 矢量路由協(xié)議算法的改良，ADV是基于序列號(hào)的路由，它總是選擇最新的路由。Z-ADV是基于途徑的能量消耗的路由，考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性等因素，簡(jiǎn)化了ADV的一些特點(diǎn)，但仍保持ADV的原始功能。在路由選擇和路由維護(hù)時(shí)，ZigBee的路由算法使用了路由本錢的度量方法來(lái)比擬路由的好壞。假定一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的路由P，那么它的路由本錢為：為：其中，表示從節(jié)點(diǎn)Di到節(jié)點(diǎn)Di+1的鏈路本錢。對(duì)于鏈路l，鏈路本錢可按照下面的表達(dá)式計(jì)算：其中，pl為鏈路l中發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率。在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有涉及到pl的詳細(xì)計(jì)算方法。pl可通過(guò)實(shí)際計(jì)算收到的信標(biāo)

10、和數(shù)據(jù)幀來(lái)進(jìn)展估計(jì)，即通過(guò)觀察幀的響應(yīng)序列號(hào)來(lái)檢測(cè)喪失的幀，這就通常被認(rèn)為最準(zhǔn)確地測(cè)量接收概率的方法。但是，對(duì)于所有的方法來(lái)說(shuō)，最直接和有效的方法就是基于IEEE802.15.4的A層和PHY層所提供的每一幀的LQI通過(guò)平均所計(jì)算的值。即使使用其他方法，最初的本錢估計(jì)值也是基于平均的LQI值?？梢愿鶕?jù)驅(qū)動(dòng)函數(shù)表來(lái)映射平均LQI值與l值的關(guān)系見(jiàn)表1。表1LQI值與鏈路本錢的關(guān)系能量平衡運(yùn)算要考慮許多因素來(lái)選擇路由。這些因素包括臨近節(jié)點(diǎn)的能量、節(jié)點(diǎn)自身的能量和鏈路質(zhì)量。剩余能量Elal可以在每一個(gè)ZigBee幀中的保存域發(fā)送，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能得到它的鄰居節(jié)點(diǎn)最新的能量分配E1，E2En。2.2.3

11、樹(shù)型Tree路由樹(shù)型路由機(jī)制包括配置樹(shù)型地址和樹(shù)型地址的路由。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，它將給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址0，網(wǎng)絡(luò)深度Depth0=0。假如節(jié)點(diǎn)i想要參加網(wǎng)絡(luò)，并且與節(jié)點(diǎn)k連接，那么節(jié)點(diǎn)k將稱為節(jié)點(diǎn)i的父節(jié)點(diǎn)。根據(jù)自身的地址Ak和網(wǎng)絡(luò)深度Depthk，節(jié)點(diǎn)k將為節(jié)點(diǎn)i分配網(wǎng)絡(luò)地址Ai和網(wǎng)絡(luò)深度Depthi=Depthk+1。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)傳送幀傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器所傳遞的最小跳數(shù)。ZigBee協(xié)調(diào)器自身深度為0，而它的子設(shè)備深度為1。圖3為ZigBee樹(shù)型構(gòu)造。參數(shù)nkaxhildren()表示路由器或協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中允許擁有子設(shè)備數(shù)量的最大值。參數(shù)nkaxR

12、uters(R)表示子節(jié)點(diǎn)中路由器的最大個(gè)數(shù)，而剩下的設(shè)備數(shù)為終端設(shè)備數(shù)。圖3ZigBee樹(shù)型構(gòu)造一個(gè)新的RFD節(jié)點(diǎn)i，它沒(méi)有路由才能，它與協(xié)調(diào)器連接作為協(xié)調(diào)器的第n個(gè)子節(jié)點(diǎn)。根據(jù)它的深度d，父節(jié)點(diǎn)k將為子節(jié)點(diǎn)i分配網(wǎng)絡(luò)地址：Ai=Ak+skipdR+n其中1n-R假如是新的子節(jié)點(diǎn)FFD，它有路由才能，父節(jié)點(diǎn)k將給它分配網(wǎng)絡(luò)地址：Ai=Ak+1+skipdn-1其中，否那么，參數(shù)nkaxDepth(L)表示網(wǎng)絡(luò)的最大深度。假設(shè)一個(gè)路由器向網(wǎng)絡(luò)地址為D的目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器的網(wǎng)絡(luò)地址為A，網(wǎng)絡(luò)深度為d。路由器將首先通過(guò)表達(dá)式：ADA+skip(d-1)判斷該目的節(jié)點(diǎn)是否為自己的子節(jié)點(diǎn)。假如

13、目的節(jié)點(diǎn)是自己的子節(jié)點(diǎn)，那么下一跳節(jié)點(diǎn)的地址為：否那么，下一跳節(jié)點(diǎn)是該路由器的父節(jié)點(diǎn)。2.2.4Tree+Z-ADV路由算法的分析根據(jù)上文對(duì)Tree和Z-ADV兩種路由算法的分析，在我們的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中將二者結(jié)合，使用Z-ADV和分等級(jí)的樹(shù)型Tree路由相結(jié)合的混合路由方法，構(gòu)成網(wǎng)格型拓?fù)錁?gòu)造esh的網(wǎng)絡(luò)。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法是在數(shù)據(jù)幀幀頭的DisverRuter域指定路由。該域可以是如下三種值：抑制路由發(fā)現(xiàn)：它使用已經(jīng)存在的路由表。當(dāng)路由表中沒(méi)有相應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)的地址時(shí)，參數(shù)nkUseTreeRuting的值為T(mén)RUE，網(wǎng)絡(luò)將使用樹(shù)型路由。使能路由發(fā)現(xiàn)：假如在路由表中有路由地址，將按照該路由表進(jìn)展

14、路由。否那么，路由器將使用Z-ADV路由算法初始路由發(fā)現(xiàn)。假如該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有初始路由發(fā)現(xiàn)的才能，它將使用樹(shù)型路由。強(qiáng)迫路由發(fā)現(xiàn)：不管是否有相應(yīng)的路由表，節(jié)點(diǎn)都強(qiáng)迫使用Z-ADV路由算法初始化路由發(fā)現(xiàn)。在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中提出了將ADV和Tree路由混合的路由機(jī)制。但在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有說(shuō)明如何配置參數(shù)來(lái)選擇路由策略，沒(méi)有使兩者平衡的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)上面Tree路由和Z-ADV的分析，我們提出了基于數(shù)據(jù)特性的路由方法，即在兩種路由算法構(gòu)成的網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)特性的不同，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)幀幀頭的DisverRuter域，選擇不同的路由方法。對(duì)于捆綁型的連續(xù)數(shù)據(jù)，ZigBee應(yīng)用層應(yīng)選擇使

15、用使能路由的方法。即采用Z-ADV路由首先建立路由發(fā)現(xiàn)，然后選擇跳數(shù)少的路由，成為最正確途徑；對(duì)于爆發(fā)型的不連續(xù)數(shù)據(jù)那么使用抑制路由發(fā)現(xiàn)的方法，即在路由表中沒(méi)有響應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)的地址時(shí)，采用Tree路由方法。因?yàn)檫@種路由不需要建立路由表，因此對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)響應(yīng)較快。圖4為節(jié)點(diǎn)接收到上層或其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層處理程序的流程圖。圖4路由算法流程圖2.3總結(jié)Tree路由是一種由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器展開(kāi)生成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造，合適于節(jié)點(diǎn)靜止或者挪動(dòng)較少的場(chǎng)合，屬于靜態(tài)路由，不需要存儲(chǔ)路由表。樹(shù)型路由對(duì)傳輸數(shù)據(jù)包的響應(yīng)較快，因?yàn)闃?shù)型路由不需要建立路由表。其缺點(diǎn)是所選擇的路由并非是最正確的路由，不能獲得最小路

16、由。樹(shù)型路由適用于爆發(fā)型的數(shù)據(jù)傳輸。Z-ADV需要首先建立路由發(fā)現(xiàn)，然后選擇跳數(shù)少的路由，成為最正確途徑。Z-ADV適用于連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)計(jì)了Z-ADV和Tree路由混合的路由策略，這里我們提出了基于數(shù)據(jù)效勞的ZigBee路由選擇策略。根據(jù)上述分析可以看出，這種路由選擇機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)性能和低功耗方面有明顯的優(yōu)勢(shì)；并且根據(jù)能量控制機(jī)制，可以有效地平衡節(jié)點(diǎn)能量，防止節(jié)點(diǎn)耗盡能量而過(guò)早地失去作用。3ZigBee模塊硬件設(shè)計(jì)模塊集無(wú)線收發(fā)器、微處理器、存儲(chǔ)器和用戶API等軟硬件于一體，可實(shí)現(xiàn)1.0版ZigBee協(xié)議棧的功能。圖5ZigBee模塊框圖圖5是模塊的硬件框圖，射頻芯片采用hipn公司消費(fèi)的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的模塊2420；控制射頻芯片的微處理器可以根據(jù)需要選擇Atel公司的AVR系列單片機(jī)或者SilinLabs公司的8051內(nèi)核單片機(jī)。單片機(jī)與射頻芯片之間通過(guò)SPI通信。單片機(jī)與外部設(shè)備之間通過(guò)串口通信，單片機(jī)自帶假設(shè)干AD或者溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換或者溫度監(jiān)控。為了方便代碼移植到不同的硬件平臺(tái)，模塊固件采用標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用.北京：北京郵電