基于通信代價(jià)的Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由選擇算法

李新春，楊 洪，李元誠(chéng)

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105）

0 引 言

在WSN備受關(guān)注的今天，Zigbee技術(shù)憑借低成本、低功率、構(gòu)架簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) （lowrate wireless personal area network，LR－WPAN）中 得 到廣泛應(yīng)用［1－2］。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)依靠電池供電，節(jié)點(diǎn)的電量絕大部分用于節(jié)點(diǎn)之間的通信且節(jié)點(diǎn)間的通信能耗與節(jié)點(diǎn)間的通信距離的三次方成正比［3］。因此，有效利用節(jié)點(diǎn)電量、減少通信能耗是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的必要條件。

現(xiàn) 有 路 由 算 法 采 用 劃 分 能 量 等 級(jí)［4－5］、 設(shè) 定 閾 值［6］、定義節(jié)點(diǎn)最小能量值［7］、預(yù)先設(shè)定廣播半徑［8］等路由策略，選擇剩余能量高的節(jié)點(diǎn)或跳數(shù)最少的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從一定程度上，限定了RREQ的方向，保護(hù)了能量偏低節(jié)點(diǎn)，均衡了節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。然而，現(xiàn)有算法忽略了節(jié)點(diǎn)間的通信能耗與通信距離的關(guān)系。單純的選擇剩余能量高的節(jié)點(diǎn)，跳數(shù)最少的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)未必能夠達(dá)到節(jié)省能耗的目的。況且，頻繁的使用同一條路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)只會(huì)加快路徑中節(jié)點(diǎn)的死亡速率。針對(duì)以上問(wèn)題，本文在深入分析節(jié)點(diǎn)之間的通信能耗與通信距離的關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一種基于通信代價(jià)的路由選擇算法。以通信代價(jià)函數(shù)來(lái)均衡路由選擇的3個(gè)因數(shù)：跳數(shù)、剩余能量以及通信能耗之間的關(guān)系，在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間建立一條能夠有效利用節(jié)點(diǎn)能量、均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的路徑，以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器 （負(fù)責(zé)組建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理和維護(hù)）、路由器 （負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)以及消息的傳遞）以及終端設(shè)備 （負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)）組成。其中協(xié)調(diào)器和路由器是全功能設(shè)備 （FFD），終端設(shè)備既可以是全功能設(shè)備 （FFD），又可以是精簡(jiǎn)功能設(shè)備 （RFD）。因RFD存儲(chǔ)能力有限，所以除RFD外，其余設(shè)備都具有建立、實(shí)時(shí)更新、維護(hù)路由表和鄰居表的能力。Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用其獨(dú)有的分布式地址分配機(jī)制，新節(jié)點(diǎn)需向網(wǎng)絡(luò)中的FFD節(jié)點(diǎn) （協(xié)調(diào)器、路由器）申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，并自動(dòng)獲取唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點(diǎn)地址可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中定義的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)Cm、子節(jié)點(diǎn)中最大路由節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Rm、網(wǎng)絡(luò)深度Lm計(jì)算得出。

Zigbee支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀網(wǎng)。其中，網(wǎng)狀網(wǎng)憑借其較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性，多跳的通信方式得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)中采用Cluster－tree、AODVjr以及二者結(jié)合的ZBR路由算法。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用AODVjr路由算法，在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中通過(guò)洪泛RREQ分組尋找最優(yōu)路徑［9］。AODVjr路由算法是對(duì)原有AODV路由算法的改進(jìn)，改進(jìn)后的算法中規(guī)定只有目的節(jié)點(diǎn)允許回復(fù)RREP；路徑建立后，目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)定時(shí)的發(fā)送KEEP＿ALIVE維持路徑暢通；RRER僅向傳輸失敗的源節(jié)點(diǎn)通知該鏈路不可到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的分組以及MAC層信息更新其各自鄰居節(jié)點(diǎn)信息［10］。

2 路由選擇算法的設(shè)計(jì)

2.1 算法相關(guān)定義

定義1 鄰居節(jié)點(diǎn)集合N（a）：網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，每個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)著其一跳通信范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的集合。

定義2 鄰居前區(qū)集合H（a）：令R（a）為以a為圓心，R＝d（a，ai）max，ai∈N（a），i＝1，2…n，為半徑的圓所圍成的區(qū)域，過(guò)目的節(jié)點(diǎn)d做該圓的兩條切線，切點(diǎn)為M、N，連接切點(diǎn)以及圓心a，H（a）即為所圍成的扇形區(qū)域（如圖1陰影部分）中的所有FFD類型節(jié)點(diǎn)的集合。令｜H（a）｜為鄰居前區(qū)中所有FFD類型的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，定義bi為鄰居前區(qū)中的FFD類型節(jié)點(diǎn)，其中i＝1，2…｜H（a）｜。即

定義3 Rt△AMD 所在區(qū)域內(nèi)存在任意一點(diǎn)P∈H（a），滿足｜AP｜3＋｜PD｜3＜｜AD｜3。

證明：如圖1所示，若點(diǎn)P與M 重合，在Rt△AMD 中

圖1 鄰居前區(qū)集合

若P在Rt△AMD內(nèi)，且P∈H（a），易得

2.2 通信代價(jià)函數(shù)

令節(jié)點(diǎn)a傳送數(shù)據(jù)至節(jié)點(diǎn)b的通信能耗為E｛d（a，b）｝，傳送數(shù)據(jù)前節(jié)點(diǎn)a的剩余能量為Es（a）。那么節(jié)點(diǎn)a，b之間的通信代價(jià)函數(shù)為

其中，E｛d（a，b）｝＝kd（a，b）3，k為常數(shù)［1］。

結(jié)合通信代價(jià)函數(shù)易知：節(jié)點(diǎn)a，b之間的距離是影響節(jié)點(diǎn)之間的通信能耗的最主要因素，通信代價(jià)函數(shù)有效地衡量了節(jié)點(diǎn)因傳送數(shù)據(jù)的通信能耗E｛d（a，b）｝，相對(duì)于節(jié)點(diǎn)原有剩余能量Es（a）的能量損耗程度，即通信能耗占節(jié)點(diǎn)原有剩余能量的百分比。通信代價(jià)越大，對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量損耗程度越大，節(jié)點(diǎn)的剩余能量越小，該節(jié)點(diǎn)被選作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的概率越小。因此，在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳的通信能耗 （距離的影響），因轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)節(jié)點(diǎn)原有能量的損耗程度，選擇具有最小通信代價(jià)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量的最有效利用。

例如：假設(shè)a有三條路徑，通過(guò)節(jié)點(diǎn)b、c轉(zhuǎn)發(fā)或直接到達(dá)d ，已知：Es（a）＝20，Es（b）＝50，Es（c）＝20，d（a，b）＝5，d（a，c）＝5，d（a，d）＝10，d（b，d）＝9，d（c，d）＝6，令k＝0.01。結(jié)合定義3、式 （3），見(jiàn)表1。

表1 通信代價(jià)函數(shù)的應(yīng)用

結(jié)合表1易知：路徑2跳數(shù)最少，總能耗最高；路徑1、3跳數(shù)相同且大于路徑2，但總能耗小于2；節(jié)點(diǎn)b剩余能量高于c，然而其通信代價(jià)大于c，即節(jié)點(diǎn)b因轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)自身能量的損耗程度大于c，反而會(huì)加快節(jié)點(diǎn)b的死亡，該路徑的生存時(shí)間必小于3。綜上，跳數(shù)最少的路徑，不一定能耗最低；能耗最小的路徑，跳數(shù)也不一定最少；選擇剩余能量高的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，該路徑的生存時(shí)間不一定最長(zhǎng)。因此，基于通信代價(jià)的路由算法合理的解決了跳數(shù)、剩余能量、通信能耗三者之間的均衡問(wèn)題，選擇最適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

2.3 通信代價(jià)函數(shù)在Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2.3.1 路由選擇算法

在Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)具有維護(hù)和更新路由表和鄰居表的能力，鄰居表中添加記錄了該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)類型、個(gè)數(shù)、與該節(jié)點(diǎn)的關(guān)系、剩余能量、到該節(jié)點(diǎn)的距離等鄰居表項(xiàng)。其中節(jié)點(diǎn)間的距離已預(yù)先在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，通過(guò) RSSI［11］算法計(jì)算得出，并添加到鄰居表中。

根據(jù)通信代價(jià)函數(shù)易知，在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，不僅要獲取鄰居前區(qū)集合中所有待選節(jié)點(diǎn)的剩余能量，距離等信息，還需要獲取待選節(jié)點(diǎn)到其各自鄰居前區(qū)集合中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離。

圖2為某Zigbee部分網(wǎng)絡(luò)示意圖，網(wǎng)絡(luò)初始化階段，節(jié)點(diǎn)間的剩余能量，距離等信息已存儲(chǔ)在鄰居表中，節(jié)點(diǎn)a通過(guò)鄰居表獲取b1到bi的剩余能量、與節(jié)點(diǎn)a的距離以及節(jié)點(diǎn)b1及bi到各自鄰居節(jié)點(diǎn)的距離。由式 （1）易得

源節(jié)點(diǎn)a需從鄰居前區(qū)集合H（a）中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，若源節(jié)點(diǎn)a選擇節(jié)點(diǎn)b1作為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，需計(jì)算節(jié)點(diǎn)a到節(jié)點(diǎn)b1，以及節(jié)點(diǎn)b1到節(jié)點(diǎn)b1的鄰居前區(qū)集合H（b1）中任意一點(diǎn)的通信代價(jià)，比較選擇出具有最小通信代價(jià)的路徑。同理，選擇出b2作為路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，具有最小通信代價(jià)的路徑，以及集合H（a）中任意一點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，具有最小通信代價(jià)的路徑，最后比較H（a）中各個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)時(shí)的最小通信代價(jià)，選擇具有最小通信代價(jià)的節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)。

圖2 路由節(jié)點(diǎn)選擇

令節(jié)點(diǎn)a在集合H（a）中選擇下一跳路由節(jié)點(diǎn)b＝bi。節(jié)點(diǎn)b在其鄰居前區(qū)集合H（bi）中選擇下一跳c＝cij。根據(jù)式 （3）得出

為簡(jiǎn)化求解的復(fù)雜度，提高傳輸效率，將原式轉(zhuǎn)化為

其中，bi∈ H（a），cij∈ H（bi）。

即通過(guò)求解待選路由節(jié)點(diǎn)bi的鄰居前區(qū)集合H（bi）中的所有節(jié)點(diǎn)的能耗均值去估算具有最小通信代價(jià)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)b＝bi。依次類推，直至目的節(jié)點(diǎn)，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間建立一條具有最小通信代價(jià)的最佳路徑。

當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)d在某節(jié)點(diǎn)一跳通信范圍內(nèi)時(shí)，結(jié)合定義3以及式 （3）得

式中：π（a）——以d（a，d）所在直線的中點(diǎn)為圓心，d（a，d）長(zhǎng)度為直徑所圍成的圓形區(qū)域，ki——π（a）內(nèi)的FFD類型鄰居節(jié)點(diǎn)。

2.3.2 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程

a節(jié)點(diǎn)初始化，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，協(xié)調(diào)器為新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)中所有FFD節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)其各自鄰居表和路由表信息。

b源節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送路由請(qǐng)求，查找自身的鄰居表獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)、類型、剩余能量以及到源節(jié)點(diǎn)的距離等相關(guān)信息。

（1）若目的節(jié)點(diǎn)在其鄰居表中：可直接傳遞RREQ分組至目的節(jié)點(diǎn)或通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的方式到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)式 （5）限定節(jié)點(diǎn)的取值區(qū)域，確定可能存在的路徑，選擇以最小通信代價(jià)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑發(fā)送RREQ分組，RREQ中預(yù)先添加一個(gè)hop域，用來(lái)記錄傳遞RREQ分組過(guò)程中累計(jì)的路由跳數(shù)之和，若直接發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)更新自身能量。若通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，更新源節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)能量信息。

（2）若目的節(jié)點(diǎn)不在其鄰居表中：根據(jù)定義2，初始化鄰居前區(qū)集合，獲取下一跳待選路由節(jié)點(diǎn)以及所有待選路由節(jié)點(diǎn)的鄰居前區(qū)集合的相關(guān)信息。根據(jù)式 （4）選擇具有最小通信代價(jià)的節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組，更新hop域中累計(jì)的路由跳數(shù)以及節(jié)點(diǎn)能量。然后，轉(zhuǎn) （1），否則轉(zhuǎn) （2）。直到源節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自目的節(jié)點(diǎn)的RREP包，即在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間建立了一條具有最小通信代價(jià)的路徑。路由算法流程圖如圖3所示。

圖3 路由算法流程

3 實(shí)驗(yàn)及仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍300m＊300m，節(jié)點(diǎn)數(shù)目100～200，分為五組。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類型均為FFD，節(jié)點(diǎn)的初始能量都相同且為100J，節(jié)點(diǎn)最小能量為5J，數(shù)據(jù)流類型為CBR，數(shù)據(jù)包大小為70Byte，每次傳遞相同個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)包，每組仿真20次，每次仿真時(shí)間800s。通過(guò)NS－2仿真工具［12］，從網(wǎng)絡(luò)整體能耗百分比與死亡節(jié)點(diǎn)百分比的角度比較分析本文的算法與原有的AODVjr路由算法。

3.2 仿真結(jié)果

如圖4所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)一定時(shí)，各個(gè)分組中的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)初始階段，剩余能量都比較充足，本文算法主要從節(jié)點(diǎn)能耗與距離的角度考慮，選擇最適當(dāng)?shù)穆酚晒?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，減小不必要的能量損耗；隨著網(wǎng)絡(luò)剩余能量的減少，本文算法從待選節(jié)點(diǎn)的剩余能量，待選節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)自身能量的影響程度兩方面綜合考慮，選擇具有最小通信代價(jià)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)能耗整體小于AODVjr路由算法；隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加且網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積保持不變，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的密度變大，鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，節(jié)點(diǎn)間距減小，節(jié)點(diǎn)的單跳能耗減小，本文算法的網(wǎng)絡(luò)能耗百分比基本保持不變。

圖4 網(wǎng)絡(luò)能耗

圖5中，結(jié)合圖4，本文算法網(wǎng)絡(luò)能耗較小，因此節(jié)點(diǎn)的平均能耗較小。在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，綜合地考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能量損耗，有效均衡了節(jié)點(diǎn)的能耗，保護(hù)了能量偏低的節(jié)點(diǎn)。因此，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目百分比基本保持不變。而AODVjr路由算法隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，為了尋找路徑，需要洪泛更多的RREQ分組，網(wǎng)絡(luò)能耗百分比變大，死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)百分比增大。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖5 網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目百分比

本文針對(duì)Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中AODVjr路由算法所存在的問(wèn)題，提出了一種基于通信代價(jià)的路由選擇算法。通過(guò)定義鄰居前區(qū)以及通信代價(jià)函數(shù)的方式，有效地限定了節(jié)點(diǎn)的取值區(qū)域，均衡了節(jié)點(diǎn)在路由選擇過(guò)程中跳數(shù)、剩余能量和通信能耗三者之間的關(guān)系。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)從網(wǎng)絡(luò)能耗百分比，以及網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目百分比兩個(gè)角度與原有的AODVjr路由算法對(duì)比分析，證明了基于通信代價(jià)的路由選擇算法能夠有效地均衡了節(jié)點(diǎn)能量、降低網(wǎng)絡(luò)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，進(jìn)一步的擴(kuò)大了Zigbee技術(shù)的應(yīng)用范圍。

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