ZigBee網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點移動性的路由選擇策略

穆嘉松，劉開華，史偉光

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點移動性的路由選擇策略

穆嘉松，劉開華，史偉光

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

為了提高 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由效率，降低節(jié)點能耗，提出一種基于節(jié)點移動性的路由選擇策略．ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時支持基于地址分配的分層路由和基于路由請求的路由方法．該策略根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動性的變化，自適應(yīng)選擇路由方法．節(jié)點通過自身鄰居參數(shù)改變識別位置變化，避免了網(wǎng)絡(luò)中額外的數(shù)據(jù)傳輸流量．經(jīng)仿真測試，相對于原有的單一方法路由方案，基于節(jié)點移動性的路由選擇策略具有更高的路由效率，提升了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由性能．

ZigBee網(wǎng)絡(luò)；路由選擇；自適應(yīng)；節(jié)點移動性

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)應(yīng)用在低功耗、低開銷、低維護(hù)的特定需求的監(jiān)測和控制系統(tǒng)[1]．標(biāo)準(zhǔn)提供了2種可選的路由方案．一種是基于路由請求的 Z-AODV算法，另一種是簡單的分層路由(hierarchical routing protocol，HRP)算法[2]．2種路由方式截然不同，前者是基于需求的路由獲取算法，當(dāng)需要建立路由時通過廣播路由發(fā)現(xiàn)請求建立傳輸路徑；而后者是主動式的路由方案，并不需要相關(guān)的路由控制信息[3]．雖然ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持 2種特征不同的路由方式，以滿足不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對于網(wǎng)絡(luò)傳輸效率、能量消耗和魯棒性等的要求，然而，目前對于 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件使用和選擇路由方法的研究還不多，已有的研究中也鮮有考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點移動變化的因素[4-6]．合理的路由選擇策略能夠?qū)?2種路由方法的優(yōu)勢發(fā)揮，從而提高路由效率，減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能提升有積極的意義．

筆者在先前的工作中，分析研究了在不同節(jié)點移動性條件下HRP和Z-AODV算法的路由性能[7]．本文將在此基礎(chǔ)上，提出 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)的路由選擇策略．為了避免節(jié)點在識別移動性信息過程中引入數(shù)據(jù)傳輸，提出了一種基于節(jié)點命令和鄰居信息變化的移動識別方法，并基于此實現(xiàn)自適應(yīng)路由選擇．

1 ZigBee協(xié)議棧

1.1 設(shè)備類型

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了全功能設(shè)備(full function device，F(xiàn)FD)和精簡功能設(shè)備(reduced functiondevice，RFD)2種器件．FFD可以實現(xiàn)更多的功能，與其他任何在其傳輸范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行通信．而RFD只能簡單地完成網(wǎng)絡(luò)中的基本功能，僅可以和FFD進(jìn)行通信[8]．

從功能上，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點：協(xié)調(diào) (ZigBee coordinator，ZC)節(jié)點、路由 (ZigBee routers，ZR)節(jié)點和終端設(shè)備(ZigBee end device，ZED)．ZC節(jié)點負(fù)責(zé)初始化網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．ZR節(jié)點允許有自己的子節(jié)點，可以與任意其他節(jié)點通信．ZED不能再有下一級的子節(jié)點．ZC和ZR節(jié)點分別具有鄰居表，其中包含節(jié)點傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點信息．

1.2 地址分配機(jī)制和分層路由

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用分布式地址分配機(jī)制(distributed address assignment mechanism，DAAM)分配節(jié)點地址．DAAM通過樹型結(jié)構(gòu)中的節(jié)點位置靜態(tài)地分配節(jié)點地址．該地址由父節(jié)點分配給子節(jié)點，并且在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的．ZC節(jié)點可以確定以下網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：mC為一個父節(jié)點可以擁有的最大子節(jié)點數(shù)目；mR為一個節(jié)點可以擁有的最大路由子節(jié)點數(shù)目；mL為網(wǎng)絡(luò)的最大深度．則每個父節(jié)點在第 d層深度分配給每個路由子節(jié)點的地址子塊尺寸為

網(wǎng)絡(luò)地址1,rdnA+和1,edlA+是分配給在d+1層深度，第n個路由子節(jié)點和第l個終端子節(jié)點的地址，即

HRP可以為任意目的地址提供簡單而可靠的路由．但由于傳輸路徑往往不是最短路徑，該方法的傳輸效率有時并不理想．

1.3 Z-AODV路由

ZigBee協(xié)議中基于路由請求的路由方法和著名的 AODV[9]方法非常相似．當(dāng)需要建立路由時，源節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播路由請求(routing request，RREQ)，中間節(jié)點接收到 RREQ后再向自己的鄰居節(jié)點重廣播，直到該路由請求到達(dá)目的節(jié)點．一旦目的節(jié)點接收到 RREQ，立刻通過對發(fā)送 RREQ的鄰居節(jié)點單播返回一個路由響應(yīng)(routing reply，RREP)信息作為回應(yīng)．RREP數(shù)據(jù)隨之前建立的反向路徑傳輸回源節(jié)點．通過對同一目的節(jié)點路由開銷的比較，節(jié)點可以實時選擇最佳的路由．最后，源節(jié)點將緩存的數(shù)據(jù)包通過以上過程建立的路徑發(fā)送[10]．

Z-AODV算法通過泛洪RREQ找到到達(dá)目的節(jié)點的全局最短路徑．然而該方式引起的廣播過載，對于帶寬和內(nèi)存有限的ZigBee設(shè)備是不能忽略的[11].雖然ZigBee標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用集中在低速率數(shù)據(jù)環(huán)境，但由于路由發(fā)現(xiàn)造成的額外開銷，特別是在密集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中會嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)通信．這些影響將體現(xiàn)在點對點延時和數(shù)據(jù)傳輸效率上[12]．同時Z-AODV算法還將潛在影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性[13]．

1.4 路由方式選擇

根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層幀格式，包頭DiscoverRoute域定義為數(shù)據(jù)流采用的路由方式[2]，其設(shè)定如下．

(1) 抑制路由發(fā)現(xiàn)(suppress route discovery，SRD)：節(jié)點將僅使用現(xiàn)有的路由表，如果目的地址不在路由表中，節(jié)點將選擇分層傳輸或丟棄數(shù)據(jù)．

(2) 使能路由發(fā)現(xiàn)(enable route discovery，ERD)：如果目的地址在路由表中，節(jié)點將根據(jù)路由表選擇下一跳地址，否則路由節(jié)點將初始化路由發(fā)現(xiàn)，如果當(dāng)前節(jié)點沒有路由能力，將進(jìn)行分層傳輸．

(3) 強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)(force route discovery，F(xiàn)RD)：無論路由表中是否存在對應(yīng)項，節(jié)點都將初始化路由發(fā)現(xiàn)過程．

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中，ERD為該域的默認(rèn)值．

1.5 鄰居表

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZC和ZR節(jié)點將提供維護(hù)鄰居表的功能．設(shè)備的鄰居表包含傳輸范圍內(nèi)每個設(shè)備的相關(guān)信息．儲存在鄰居表中的信息可用于各種目的，表里的每個表項包含關(guān)于鄰居設(shè)備的必要信息有：①PAN標(biāo)識符；②擴(kuò)展地址；③網(wǎng)絡(luò)地址；④設(shè)備類型；⑤關(guān)系．同時，實施設(shè)備可以存儲鄰居表中額外的可選信息．

2 ERP和Z-AODV路由算法性能分析

2.1 仿真平臺

本文使用Opnet Modeler作為仿真平臺．節(jié)點的物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了無線網(wǎng)絡(luò)的工作頻率、調(diào)制方法、信道接入機(jī)制、數(shù)據(jù)傳輸速率、無線接收和發(fā)射設(shè)備的設(shè)定等參數(shù)．節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)定符合 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)．基于研究需要，只對 ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)渌璧墓δ苓M(jìn)行設(shè)定，包括網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的地址分配方案、網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)、路由方法、路由表和鄰居表的產(chǎn)生和維護(hù)以及節(jié)點信息管理等功能．

2.2 性能分析

先前的工作中，研究了在不同節(jié)點移動性條件下HRP和Z-AODV算法的路由性能[7]，并得到結(jié)論，即SRD路由方式適用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而在節(jié)點移動性較高的網(wǎng)絡(luò)中，ERD路由方式有更好的性能．對于 2種路由方式適用環(huán)境的分界網(wǎng)絡(luò)條件有以下結(jié)論：隨節(jié)點數(shù)量增加，2種路由方法適用環(huán)境的分界網(wǎng)絡(luò)條件趨于穩(wěn)定，對應(yīng)節(jié)點保持靜止時間概率的均值略大于20,s[7]．

在本文的路由策略中，不要求獲知節(jié)點運動的速度和距離等因素，只需要得到節(jié)點保持當(dāng)前位置的預(yù)期時間．在統(tǒng)計該值時，長期穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可能具有較長的靜止時間，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計帶來不便．因此，本文將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點保持當(dāng)前位置的時間概率，轉(zhuǎn)化為單位時間內(nèi)節(jié)點運動次數(shù)的概率．單位時間選取100,s，這是因為該單位時間決定了節(jié)點運動判斷的敏感程度和反應(yīng)時間．如果該值過小，會增加隨機(jī)因素對節(jié)點移動性判斷的影響；如果該值過大，節(jié)點需要較長的時間反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，將會降低路由選擇的效率．對于單位時間(100,s)內(nèi)節(jié)點的平均移動次數(shù)，為了獲得節(jié)點運動次數(shù)的整數(shù)解，對應(yīng)節(jié)點靜止時間的取值只能是16.7,s、20.0,s、25.0,s和33.3,s等.

基于以上分析，本文進(jìn)行了進(jìn)一步的實驗測試．仿真環(huán)境設(shè)置如下：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)分別為 20、30、40和 50，節(jié)點保持當(dāng)前位置的時間的概率分別設(shè)定為 16.7,s、20.0,s、25.0,s和33.3,s．每組實驗取不同的節(jié)點數(shù)量和移動性，一共進(jìn)行 16組，每組實驗進(jìn)行10次，統(tǒng)計SRD和ERD 2種算法各自的網(wǎng)絡(luò)總體數(shù)據(jù)流量的平局值．仿真其他參數(shù)設(shè)定如表1．

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)Tab.1 Network parameters of simulation

仿真結(jié)果如表2所示，表中靜止時間表示節(jié)點平均靜止時間．從表中數(shù)據(jù)可以看出，SRD和 ERD算法適用環(huán)境的分界網(wǎng)絡(luò)條件隨節(jié)點數(shù)量增加趨于穩(wěn)定，這時，節(jié)點靜止時間的概率期望值為 25.0,s，對應(yīng)節(jié)點單位時間移動次數(shù)為4次．節(jié)點靜止時間期望為20.0,s，ERD方式具有更低的網(wǎng)絡(luò)流量．而節(jié)點單位時間內(nèi)平均移動3次時，SRD方式具有更高的效率．基于以上分析，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中SRD和ERD方式的適用環(huán)境可以進(jìn)一步總結(jié)為：ERD方式在平均100,s時間內(nèi)節(jié)點移動 4次及以上的網(wǎng)絡(luò)中性能更好，而SRD方式適合于平均移動少于3次的網(wǎng)絡(luò)．

表2 不同網(wǎng)絡(luò)條件SRD和ERD方式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量Tab.2 Network loads of SRD and ERD mode in different network conditions

3 基于節(jié)點移動的路由選擇策略

在先前研究的基礎(chǔ)上，本文提出了 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點移動性的路由選擇策略(routing strategy based on node mobility，BNM)．在BNM策略中，每個節(jié)點分別有SRD和ERD 2種工作方式，每種工作方式中，節(jié)點采用對應(yīng)的路由方式傳輸數(shù)據(jù)．BNM策略將根據(jù)當(dāng)前的節(jié)點移動性，估計將來的網(wǎng)絡(luò)條件，通過設(shè)定數(shù)據(jù)幀中路由方式域的值選擇路由方式，實現(xiàn)自適應(yīng)路由選擇．在 100,s內(nèi)節(jié)點移動少于4次的情況下，使用 SRD方式；當(dāng)移動 4次及以上時，使用ERD方式．算法流程如圖1所示．

3.1 工作模式

圖 2是 SRD方式的流程．其中 Ts為布爾型變量，表示計時器的工作狀態(tài)，ON為開啟，OFF為關(guān)閉；T為計時器當(dāng)前值，單位為s；C為記錄節(jié)點移動次數(shù)的計數(shù)器取值．計數(shù)器進(jìn)行加 1操作，然后進(jìn)行比較，如果移動次數(shù)小于 4次，將繼續(xù)等待節(jié)點移動消息到來；否則，計數(shù)器和計時器清零，并進(jìn)入 ERD工作方式．當(dāng)檢測到節(jié)點移動信息，計時器將首先檢測是否開啟，如果處在關(guān)閉狀態(tài)將啟動計時器．計時器在激活后持續(xù)工作，計時到達(dá) 100,s后，將清零關(guān)閉，并將計數(shù)器值歸零，等待下次激活命令．SRD進(jìn)程中，計時器不是持續(xù)處在工作狀態(tài)，只有當(dāng)節(jié)點檢測到位置移動信息時，才開始工作．當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，節(jié)點將保持在 SRD工作狀態(tài)，并且沒有任何額外的內(nèi)存消耗和數(shù)據(jù)傳輸．

圖1 BNM策略流程Fig.1 Flow chart of BNM

圖 3顯示了節(jié)點 ERD方式的流程．節(jié)點進(jìn)入ERD方式后，計數(shù)器歸零，計時器開始計時．當(dāng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點移動時，計數(shù)器做加1運算并進(jìn)行比較．如果計數(shù)器取值小于4，將返回等待檢測下一個節(jié)點移動信息．否則，計數(shù)器和計時器同時清零，計數(shù)器返回等待檢測節(jié)點移動信息．計時器在 ERD方式中始終開啟工作，當(dāng)計時器計時到達(dá) 100,s，將關(guān)閉歸零，并將計數(shù)器置零，進(jìn)入SRD方式．在ERD方式中，計時器保持開啟工作狀態(tài)，當(dāng)計時器計時到達(dá) 100,s時，計時器和計數(shù)器同時歸零，計時器關(guān)閉，進(jìn)入SRD工作方式．從ERD方式的工作流程可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點在進(jìn)入ERD工作方式后，將至少在此模式工作100,s，在此期間，節(jié)點可以對路由表進(jìn)行維護(hù)，更新路由表和鄰居表信息．在節(jié)點移動性降低，進(jìn)入SRD方式后，這些信息可以用來改善SRD方式的路由效率．

圖2 BNM策略節(jié)點SRD方式流程Fig.2 Flow chart of SRD mode in BNM

圖3 BNM策略節(jié)點ERD方式流程Fig.3 Flow chart of ERD mode in BNM

3.2 節(jié)點移動識別

從BNM策略中SRD和ERD方式節(jié)點的工作流程可以看到，如何獲取節(jié)點移動的信息，決定了BNM策略運行的成本以及執(zhí)行的效率．在BNM策略中，只需要對節(jié)點的移動進(jìn)行判定和檢測，而對于運動距離、速度、路徑等信息并沒有要求．基于以上分析，本文提出了BNM策略中節(jié)點移動識別方法．

圖4是SRD路由方式下ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動的示例．節(jié)點A、B、C為協(xié)調(diào)器的子節(jié)點．節(jié)點D深度為2，初始在1位置，父節(jié)點是A．

1)D移動到位置2

節(jié)點位置發(fā)生變化，但對于D與父節(jié)點A之間的通信影響較小，BNM 算法中認(rèn)為可以忽略，不需要檢測．

圖4 SRD方式下節(jié)點移動分析示例Fig.4 Demonstration of node moving in SRD mode

2)D移動到位置3

D失去和父節(jié)點A的聯(lián)系．D如果仍希望作為當(dāng)前 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備工作，就需要啟動重新加入網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程．在圖4所示情況下，節(jié)點B可以響應(yīng)D在 3位置的加入請求，如果在 B節(jié)點的子節(jié)點地址空間內(nèi)有空閑地址，將根據(jù)DAAM機(jī)制為D分配地址．這時，原有的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被改變，D將以 B節(jié)點作為自己的父節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和路由．這個過程，將在網(wǎng)絡(luò)中引入額外的數(shù)據(jù)傳輸，對整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸也會造成影響．這類移動需要BNM策略進(jìn)行監(jiān)測．這種移動過程中，D節(jié)點會和原父節(jié)點失去連接并引發(fā)一個重新加入網(wǎng)絡(luò)的命令以及網(wǎng)絡(luò)地址的改變．

3)D移動到位置4

節(jié)點位置發(fā)生變化，但既沒有和原父節(jié)點失去連接，同時也不能和其他節(jié)點構(gòu)成連接，對數(shù)據(jù)的傳輸和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溆绊懞苄。畬τ谶@種移動，BNM策略也不進(jìn)行檢測．

通過以上分析，節(jié)點使用 SRD路由方式時發(fā)生移動，如果沒有改變當(dāng)前的分層結(jié)構(gòu)，該移動對于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸幾乎不會造成影響，這種移動應(yīng)被忽略；如果節(jié)點移動造成父子鏈路失效，失去連接的子節(jié)點將重新啟動加入網(wǎng)絡(luò)的過程，尋找新的父節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并更新網(wǎng)絡(luò)地址，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．在SRD方式中，可以通過監(jiān)測節(jié)點重新加入網(wǎng)絡(luò)的命令、節(jié)點的父節(jié)點以及節(jié)點自身的網(wǎng)絡(luò)地址，來判斷節(jié)點是否發(fā)生了位置移動．在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用支持子層標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有命令和進(jìn)程會要求節(jié)點發(fā)送重新加入網(wǎng)絡(luò)的命令，也不會更改節(jié)點的父子關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)地址．因此，以上的檢測方案是可行的．為了減少多網(wǎng)絡(luò)情況下的計算和存儲消耗，BNM 策略將檢測節(jié)點重新加入網(wǎng)絡(luò)的NLME-JOIN. confirm命令來判斷節(jié)點位置改變．

節(jié)點在 ERD工作方式下，雖然父子關(guān)系仍然存在，然而數(shù)據(jù)傳輸將基于路由請求，因此需要用不同的方法來檢測節(jié)點移動．圖5是ERD方式下ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動的示例．節(jié)點A、B、C為協(xié)調(diào)器的子節(jié)點，D和F為B的子節(jié)點，E為D的子節(jié)點．1)D移動到位置2

圖5 ERD方式下節(jié)點移動分析示例Fig.5 Demonstration of node moving in ERD mode

在位置1時，父節(jié)點B和節(jié)點E、F都是D的鄰居，而在位置2時，D的鄰居只有B和A，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生了變化．這類移動需要進(jìn)行監(jiān)測．

2)D移動到位置3

D同原先的父節(jié)點 B失去了聯(lián)系，然而與使用SRD方式的網(wǎng)絡(luò)不同的是，由于在 3位置的通信范圍內(nèi)，仍有節(jié)點C和F作為D新的鄰居，D仍可以在網(wǎng)絡(luò)中正常工作并通過 F和 C進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要重新加入網(wǎng)絡(luò)．該移動對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洚a(chǎn)生了影響，需要監(jiān)測．

3)D移動到位置4

D和原父節(jié)點 B失去了聯(lián)系．而原先的鄰居節(jié)點E和F沒有影響．網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生變化，需要進(jìn)行監(jiān)測．

4)D移動到位置5

節(jié)點位置發(fā)生變化，但是D的鄰居沒有變化．這類移動對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸，幾乎不產(chǎn)生實際的影響，在BNM策略中將其忽略．

通過以上分析，節(jié)點使用 ERD路由方式時發(fā)生移動，如果移動節(jié)點的鄰居沒有變化，則幾乎不會對數(shù)據(jù)傳輸造成影響，這種移動將被忽略．如果節(jié)點移動改變了可用鏈路，將影響數(shù)據(jù)傳輸，BNM 策略需要對其進(jìn)行檢測．

運動是相對的，為了確定鄰居表的變化是由于自身移動還是對應(yīng)節(jié)點的移動造成的，將不得不引入額外的數(shù)據(jù)傳輸，這和 BNM 策略提出的初衷相違背．因此，本文提出一種近似的算法來進(jìn)行判斷而避免了數(shù)據(jù)交換．節(jié)點移動示例仍如圖5所示．

1)D移動到位置2

D的鄰居減少了A，A的鄰居也增加了D，而實際上A的位置沒有變化．類似的情況也發(fā)生在D移動到位置3，C節(jié)點的鄰居表中．通過分析可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點增加 1個或幾個鄰居，而其余的鄰居沒有變化，大多是由其他節(jié)點移動進(jìn)入自己的通信范圍造成的．因此在識別節(jié)點移動時，將只考慮原有鄰居的丟失；而在其余鄰居信息不變的情況下，不計算新鄰居的產(chǎn)生．

2)D移動到位置2

D失去鄰居 E和 F，同時，E和 F也失去鄰居D．不同的是，E和F其他的鄰居沒有變化，而節(jié)點D同時失去了E和F 2個鄰居．因此，BNM策略認(rèn)為節(jié)點失去 2個或以上鄰居，是自身移動造成的；只丟失1個鄰居，是相應(yīng)節(jié)點移動造成的．

3)D移動到位置2

如果節(jié)點F不存在，D將只丟失1個鄰居E，而E丟失了鄰居D．不同的是，D除了丟失E之外，也增加了新的鄰居 A．節(jié)點在移動時，通信范圍的改變將可能引入新的鄰居．因此，BNM策略認(rèn)為，失去 1個鄰居同時有新的鄰居發(fā)現(xiàn)的情況，是自身節(jié)點移動引起的．

4)D移動到位置4

D失去鄰居B，沒有增加新的鄰居．B是D的父節(jié)點，父節(jié)點是節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，鄰域內(nèi)有最佳通信質(zhì)量的路由節(jié)點，因此，父子鏈路中斷對子節(jié)點影響較大．BNM 策略認(rèn)為，如果當(dāng)前節(jié)點和父節(jié)點失去連接，是子節(jié)點移動引起的．

基于以上分析，得到 ERD傳輸方式下，節(jié)點移動判定的方法，流程如圖 6所示．節(jié)點在鄰居表更新過程中，將原始鄰居表暫存，用新的鄰居表和其進(jìn)行比較．如果失去 2個或以上鄰居，節(jié)點認(rèn)為自身發(fā)生移動．如果全部原有鄰居信息仍有效，則判定節(jié)點未移動．在恰好失去1個鄰居的情況下，將查看是否有新鄰居．如果有，節(jié)點判定自身移動；否則，節(jié)點將檢查與父節(jié)點鏈路是否仍然有效．如果是，節(jié)點判定沒有移動；否則認(rèn)為發(fā)生移動．判定完成后，節(jié)點將清除原鄰居信息，并將當(dāng)前鄰居信息暫存．暫存的鄰居信息中，并不需要備份鄰居表所有域的內(nèi)容，只需要儲存鄰居的 PAN標(biāo)識符、網(wǎng)絡(luò)地址和關(guān)系 3項．每個鄰居的對應(yīng)內(nèi)存消耗為 33 bit，包括 16 bit的PAN ID信息，16 bit的網(wǎng)絡(luò)段地址信息和1 bit的節(jié)點關(guān)系信息．

最后，將分析 2種工作方式轉(zhuǎn)換需要注意的問題．假定當(dāng)前節(jié)點工作在 ERD方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，D從位置1移動到4，依照節(jié)點運動的判定方法，該節(jié)點由于和父節(jié)點失去了連接則認(rèn)為發(fā)生了移動．假設(shè)節(jié)點 D不再發(fā)生運動，之后節(jié)點移動性下降并進(jìn)入 SRD工作方式．這時，D和原父節(jié)點失去連接，將重新尋找新的父節(jié)點．這時，由于ERD方式中的位置改變，導(dǎo)致D在進(jìn)入SRD方式后將進(jìn)行一次重新加入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，從而誤認(rèn)為節(jié)點發(fā)生了位置變化．為了解決這個問題，比較好的方式是在節(jié)點進(jìn)入 SRD方式之后，節(jié)點運動檢測進(jìn)程稍稍推遲啟動，這樣既消除了誤差，也不需改變 ZigBee節(jié)點的工作機(jī)制．在BNM策略中，節(jié)點運動檢測進(jìn)程將推遲100,ms后執(zhí)行．

圖6 ERD傳輸中節(jié)點移動識別流程Fig.6 Flow chart of node moving recognition in ERD mode

4 仿真和分析

本文將 BNM 策略與傳統(tǒng)的單一路由方案進(jìn)行了比較．網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點有相同的數(shù)據(jù)發(fā)送參數(shù)．通過比較不同路由方式的總體數(shù)據(jù)流量，評價路由方法的效率．

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)突變情況的性能仿真

首先研究 BNM 策略在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)突變情況下的路由性能．仿真使用 30個節(jié)點，全部為 FFD設(shè)備，穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點保持當(dāng)前位置的概率服從均值為150,s的正態(tài)分布；不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)中該均值為 20,s．仿真其他參數(shù)保持不變．仿真時間共 200,s，從仿真開始到100,s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)配置，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持較穩(wěn)定的狀態(tài)；仿真第100,s，增加網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動性，將節(jié)點移動的參數(shù)改為不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)中的配置，以模擬現(xiàn)實應(yīng)用中不可預(yù)見的突發(fā)情況．仿真結(jié)果如圖 7所示．在仿真前 100,s，網(wǎng)絡(luò)處在穩(wěn)定狀態(tài)．SRD較ERD算法有更高的路由效率．對于BNM策略，這階段節(jié)點工作在SRD方式，性能和SRD算法基本相似．仿真100,s后，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降．ERD算法性能改變不大；SRD算法的表現(xiàn)急劇下降，仿真后期有非常高的網(wǎng)絡(luò)整體流量．而 BNM策略，對系統(tǒng)突發(fā)的變化，有較好的穩(wěn)定性．由于BNM策略中工作模式的轉(zhuǎn)換是通過判斷節(jié)點移動來驅(qū)動的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定時，仍采用 SRD算法傳輸，所以其性能總體優(yōu)于 ERD算法．從仿真可以看到，對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的突發(fā)變動，BNM 策略通過對路由方式的選擇，有效地提高了路由的效率．在仿真的后 100,s，BNM對于SRD和ERD算法，效率分別提升約18.2%和7.5%.

圖7 BNM策略網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)突變情況下的路由性能Fig.7 Routing performance of BNM in sudden change of network structure

本文對 BNM 策略長期工作中的總體路由性能也進(jìn)行了仿真．仿真時間為 12,min，網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點參數(shù)保持不變．仿真過程如下：節(jié)點移動性初始設(shè)置為穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，之后每 3,min改變一次網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性狀態(tài)，共改變 3次．網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)下各運行6,min．仿真結(jié)果如表3所示．

表3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)突變情況下不同路由方式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量Tab.3 Network loads of different routing modes in sud-den change of network structure

為了方便分析，每3,min稱為仿真的一個階段．在仿真第 1和第 3階段，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，SRD比ERD有更好的路由效率．對于BNM策略，在第1階段，網(wǎng)絡(luò)初始化后直接進(jìn)入SRD工作方式，和SRD算法有非常接近的性能．而在第 3階段，節(jié)點先前第 2階段工作在 ERD方式時更新了自己的路由表，在網(wǎng)絡(luò)回歸穩(wěn)定態(tài)后，這些信息可以繼續(xù)用來優(yōu)化路由，因此，BNM 策略在第 3階段有更低的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量．在第2和第4階段，網(wǎng)路突發(fā)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)之后，ERD方式影響不大，而 SRD方式的網(wǎng)絡(luò)總體流量值升高較多．而BNM策略有著比ERD算法更低的平均網(wǎng)絡(luò)流量．經(jīng)仿真測試，BNM策略較SRD和ERD算法，路由效率分別提升6.3%和7.4%．

4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可預(yù)測情況的性能仿真

本文對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可預(yù)測的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中BNM的路由性能進(jìn)行了仿真．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)未知以及可能存在的分塊效應(yīng)會對無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸帶來較大的影響．仿真參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)點數(shù)30個，仿真時間200,s，節(jié)點保持靜止的時間服從正態(tài)分布，期望值取值分別為 5、20、50、150,s，每個節(jié)點隨機(jī)取其中任一值，每個值被選取的概率相等．每 100,s，節(jié)點重新設(shè)置保持靜止時間概率的均值．節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)的設(shè)定參數(shù)同之前的仿真保持一致．仿真結(jié)果如圖 8所示．SRD算法性能起伏劇烈，而 ERD方式受節(jié)點移動性變化影響較小，性能較穩(wěn)定，但由于本身重復(fù)路由和路由廣播的缺陷，路由效率較低．BNM策略可以根據(jù)節(jié)點移動性變化，動態(tài)的選擇路由方式，同時發(fā)揮HRP和Z-AODV算法的優(yōu)勢，在仿真中有最低的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量．在仿真后期其路由效率接近ERD方式，這是由于節(jié)點移動性較高時，BNM策略的工作原理將和 ERD算法一致．而較短的仿真時間，使穩(wěn)定區(qū)域的識別工作受到限制，影響了 BNM策略的效率．本仿真主要研究該策略的實時性能變化趨勢，從中可以得出結(jié)論，BNM 策略的路由性能不低于任一原有方法，而且性能變化也比較穩(wěn)定，有最高的路由效率．經(jīng)測算，本仿真中 BNM的平均效率相對于ERD算法，約提升5.6%．

為了測試在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中，BNM 策略長期工作的性能，本文進(jìn)行了進(jìn)一步的仿真．仿真參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)點數(shù)30個，仿真時間10,min，節(jié)點保持當(dāng)前位置時間的概率服從正態(tài)分布，均值等概率隨機(jī)選取為5、20、50、150,s中任一值．每100,s節(jié)點重新設(shè)置保持當(dāng)前位置時間概率的均值，選取方法不變．節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)的等參數(shù)保持不變．仿真結(jié)果如表4所示．

SRD方式有最高的網(wǎng)絡(luò)瞬時數(shù)據(jù)流量和平均數(shù)據(jù)流量．在樹型結(jié)構(gòu)無法保持穩(wěn)定的狀態(tài)下，SRD的路由效率變化起伏最大而且平均性能最差．ERD方式雖然在網(wǎng)絡(luò)最高和最低瞬時流量之間相差最小，表現(xiàn)最穩(wěn)定，但是網(wǎng)絡(luò)平均數(shù)據(jù)流量較高．BNM 策略有最好的最高和最低瞬時流量，以及網(wǎng)絡(luò)平均數(shù)據(jù)流量．說明該策略既提升了總體路由效率，也保證了瞬時的路由性能．在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可預(yù)測的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，BNM策略較原有的單一路由方式有更好的路由效率，相對于SRD和ERD算法，分別提升了6.6%和5.8%．

表4 不可預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不同路由方式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量Tab.4 Network loads of different routing modes in unpredictable network structure

5 結(jié) 語

本文基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)支持的2種路由方式的性能測試，分析了不同路由方式適用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境．基于此，提出了一種基于節(jié)點移動的自適應(yīng)路由選擇策略，即BNM策略．BNM策略通過節(jié)點移動性變化，自適應(yīng)選擇路由方式以改善ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由效率．為了避免在節(jié)點移動信息獲取過程中引入額外的數(shù)據(jù)流量，提出了一種基于節(jié)點命令監(jiān)測和鄰居信息變化的移動判定算法．經(jīng)仿真測試，對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的突發(fā)變化以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可預(yù)測的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，該策略都可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)整體流量，降低節(jié)點能耗．

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Routing Selection Strategy Based on Node Mobility in ZigBee Network

MU Jia-song，LIU Kai-hua，SHI Wei-guang
(School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To improve the routing efficiency and reduce the node power consumption in ZigBee network，a routing selection strategy based on node mobility was proposed. Both the hierarchical routing based on address allocation and the routing method based on routing discovery are available in ZigBee network. In the strategy，the node chose the routing method self-adaptively on the basis of the change of node mobility. Nodes recognized the mobility variety through the change of parameters in neighbor table to avoid the extra network load. The simulation results showed that the routing strategy based on node mobility，compared with original single routing schemes，had better routing efficiency and improved the routing performance in ZigBee network.

ZigBee network；routing selection；self-adaption；node mobility

TN92

A

0493-2137(2012)04-0301-08

2011-01-28；

2011-08-22.

國家自然科學(xué)基金資助項目(60872001).

穆嘉松（1983— ），男，博士，mujiasong@yahoo.com.cn．

劉開華，liukaihua@tju.edu.cn.