一種以ZigBee協(xié)調(diào)器為中心的能量均衡路由算法研究

曾潔瓊 陶偉業(yè)

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心，廣東 廣州 510510；2.廣東藥學(xué)院醫(yī)藥信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

目前，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中考慮能量消耗因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的影響已經(jīng)取得了一些有價(jià)值的研究結(jié)論［1－2］。本文將提出一種以協(xié)調(diào)器為中心的與能量消耗有關(guān)的路由算法。

1 ZigBee路由協(xié)議改進(jìn)目標(biāo)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，如果某些節(jié)點(diǎn)頻繁地參與到數(shù)據(jù)通訊中，則其耗電量通常要比其他節(jié)點(diǎn)大很多，一旦過多的節(jié)點(diǎn)因電量耗盡而進(jìn)入死亡狀態(tài)，就可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的不良影響。分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)中哪些節(jié)點(diǎn)會(huì)頻繁地進(jìn)行分組發(fā)送具有十分重要的意義，因?yàn)轭l繁發(fā)送分組節(jié)點(diǎn)勢(shì)必會(huì)消耗過多的能量而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過早地進(jìn)入死亡狀態(tài)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中具有非常重要的作用，它負(fù)責(zé)組織和協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這樣就會(huì)導(dǎo)致協(xié)調(diào)器周邊的節(jié)點(diǎn)過多地承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)而耗費(fèi)太多能量。因此，想辦法保護(hù)協(xié)調(diào)器周邊節(jié)點(diǎn)，讓它們盡量少地參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)局部區(qū)域失效的關(guān)鍵。為了在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)能量負(fù)載均衡，所設(shè)計(jì)的路由算法要能達(dá)到以下目標(biāo)：（1）盡量維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，避免網(wǎng)絡(luò)局部節(jié)點(diǎn)失效；（2）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量負(fù)載相對(duì)均衡，使得節(jié)點(diǎn)死亡狀態(tài)盡可能晚地出現(xiàn)。

2 能量均衡路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理

本文提出了一種以協(xié)調(diào)器為中心的樹型結(jié)構(gòu)能量均衡路由算法，以區(qū)別于純粹只考慮樹型結(jié)構(gòu)的能量均衡路由算法［3］。該算法對(duì)傳統(tǒng)的ZigBee路由算法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)依據(jù)主要是結(jié)合ZigBee樹型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)路由開銷進(jìn)行了重新計(jì)算，新的路由開銷計(jì)算基于以下假設(shè)：（1）網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸主要出現(xiàn)在高度節(jié)點(diǎn)和低度節(jié)點(diǎn)之間。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作特性要求父節(jié)點(diǎn)向其對(duì)應(yīng)的子孫節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制分組和數(shù)據(jù)分組。并且，處于網(wǎng)絡(luò)中心地位的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通常都要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，因此，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸主要出現(xiàn)在高度節(jié)點(diǎn)和低度節(jié)點(diǎn)之間，可以認(rèn)為上述假設(shè)是成立的。（2）網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸量比較接近，也就是說，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，它們都具有均等的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會(huì)。這種假設(shè)基于節(jié)點(diǎn)的平等性，盡管不一定適用于所有場(chǎng)合，但如果網(wǎng)絡(luò)有比較大的規(guī)模，并且運(yùn)行時(shí)間足夠長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)中那些位于邊緣的節(jié)點(diǎn)就滿足這些情形。（3）網(wǎng)絡(luò)中所有普通節(jié)點(diǎn)的初始能量是相同的，并且所有節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所耗費(fèi)的電量相等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)因其特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，往往采用電池來提供能量，一般而言，在安裝電池時(shí)，這些電池都是同種型號(hào)而且初始電量相同。在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸過程中，無論是發(fā)送分組還是接收分組，因時(shí)間極其短暫，所耗費(fèi)的電量差別可以忽略不計(jì)?；诖耍鲜黾僭O(shè)也能成立。

根據(jù)上面的描述對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以知道這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)。越是靠近協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)通信的匯聚功能就體現(xiàn)得越明顯，因而會(huì)比普通節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，如果不對(duì)其通信進(jìn)行適當(dāng)控制的話，其耗費(fèi)的電量將會(huì)很多且容易過快地進(jìn)入節(jié)點(diǎn)死亡狀態(tài)。為了避免這種情形的發(fā)生，這樣的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該擁有比普通節(jié)點(diǎn)要大一些的路由開銷值，這樣在分組數(shù)據(jù)的傳輸過程中，路由策略就會(huì)讓分組盡可能地不要讓這些節(jié)點(diǎn)來承擔(dān)，從而實(shí)現(xiàn)能量均衡。

根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特性，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度為d，則父節(jié)點(diǎn)所分配到的地址子塊的大小可以用下述表達(dá)式來表示：

3 路由算法性能分析

以包含100個(gè)全功能型節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為模擬仿真環(huán)境，其中，Cluster-Tree的值設(shè)為：Lm＝7，Cm＝4。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)功率的設(shè)定，參照符合ZigBee規(guī)范的CC2430系列芯片。節(jié)點(diǎn)無論是接收分組還是發(fā)送分組數(shù)據(jù)，假定其耗費(fèi)的能量都是一樣的。

為了對(duì)新的路由算法性能進(jìn)行衡量，需要在新的路由協(xié)議和修改之前的路由協(xié)議之間進(jìn)行比較，選取2種不同協(xié)議在相同場(chǎng)景中的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖1和圖2形象地反映了2種不同路由協(xié)議下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 節(jié)點(diǎn)的能量剩余值比較

圖2 不同場(chǎng)景下死亡節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)比較

圖中，ZBR表示傳統(tǒng)的路由算法，E-ZBR表示改進(jìn)后新的能量均衡路由算法。從圖1中可知，在采用E-ZBR算法時(shí)，那些靠近網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器附近深度較高節(jié)點(diǎn)的能量剩余值比常規(guī)ZBR算法下的能量剩余值要高。由此可知，靠近網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器附近的高度節(jié)點(diǎn)其能量的耗費(fèi)得到了控制，這表明網(wǎng)絡(luò)中的低度節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了一些原本由高度節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。由圖2可知，單純采用ZBR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在400 s的時(shí)候便出現(xiàn)了第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)，之后隨著仿真時(shí)間的推移，越來越多的節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而死亡；而E-ZBR在489 s的時(shí)候才出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡，且在相同的仿真時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量也要少于采用ZBR時(shí)的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)語

在ZigBee樹型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，保護(hù)高層節(jié)點(diǎn)以避免其消耗過多能量，能夠均衡網(wǎng)絡(luò)整體耗能，是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的一項(xiàng)重要舉措。本文深入分析了ZigBee樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了一種以協(xié)調(diào)器為中心的樹型結(jié)構(gòu)能量均衡路由算法。該算法對(duì)傳統(tǒng)的ZigBee路由算法進(jìn)行了改進(jìn)，主要是在路由開銷的計(jì)算中考量了能量因素，仿真實(shí)驗(yàn)表明考慮了能量因素的路由算法與原始的路由算法相比能平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗和減少節(jié)點(diǎn)的死亡。

［1］郝曉萌.基于ZigBee的無線糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中路由協(xié)議的研究［D］.北京郵電大學(xué)，2009

［2］Volkan Rodoplu，Teresa H.Meng.Minimum Energy Mobile Wireless Networks［J］.IEEE Transactions Selected Areas on Co mmunications，1999（8）

［3］王琛，柴喬林，王芳.基于樹形結(jié)構(gòu)的ZigBee能量均衡協(xié)議研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009（15）