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ZigBee层次网络中的自适应路由优化和能量平衡算法
摘 要
ZigBee分层树路由协议(HRP;ZigBee联盟，美国加州圣拉蒙，提供一个简单但可靠的拓扑。然而，传输路由并不总是有效的，并且在网络初始化过程中确定了链路。本文提出了一种自适应路由优化和能量平衡算法。在我们的路由算法中，父节点可以自适应地维护其子链路以降低网络负载，并且可以从邻接表中获得所需的所有信息，以避免引入额外的通信开销。这种算法使得ZigBee的层次化拓扑结构能够在其生命周期内自适应地维护和优化路由路径，并引入了一个地址分配机制，以确保我们的算法遵循ZigBee规范。此外，还提出了一种能量平衡算法来降低低电池设备的功耗。仿真结果表明，我们的路由方案具有较好的性能，具有较低的平均传输跳数和网络负载，并且我们的能量平衡算法可以降低低电池设备的功耗。
关键词:无线个域网;层次路由;邻居表;能量平衡;地址分配
1 介绍
自ZigBee联盟(ZigBee Alliance, San Ramon, CA, USA)规范于2004年首次发布以来，由于其具有低功耗和低成本[1]的特点，对协议栈和应用程序的研究不断涌现。ZigBee的目标是低功耗和长期生存的网络。在数据传输过程中，发射机的能量成本是无线应用的主要成本，路由效率主要决定了无线网络的功率和寿命。然而，ZigBee设备的处理能力、存储、电源和通信带宽都很有限。它们也可能随机移动，从而导致网络拓扑结构的变化。这些限制使得找到确保高网络吞吐量的合适路由机制变得非常困难[2]。ZigBee采用混合路由机制和层次树路由协议(HRP)和ZigBee ad hoc按需距离矢量[3]。然而，目前的网络形成和路由。ZigBee规范中描述的协议并没有完全解决电力消耗问题[4]。
HRP是一种主动的路由方法，当网络被部署并保持不变，除非网络结构发生变化时，它的路由是建立的。HRP为无线网络提供了一种简单可靠的拓扑结构[5]。对于每个节点，如果数据帧的目标是它自身的后代，它将把数据包发送给相应的子节点。否则，它将把消息发送给它的父进程。从路由获取和内存使用的角度来看，HRP是有效的，但是HRP中的路由路径总是低效的，因为数据帧在父-子链接中是有限的。而且，当节点移动并限制其在网络扩展中的性能时，不变的拓扑结构要求它重建层次结构。最后，由于树不是动态平衡的，某些安装场景(如长行设备)可能会在实际容量到达之前就耗尽网络的地址容量[6]。
无线网络能源成本的另一个问题是节点的消耗不均。总的来说,路由方法只能保证较好的平均性能[7]。由于网络结构和节点位置，一些设备可能被过度使用(例如，网络中心的节点更可能接收数据并加入路由路径)。这可能会导致潜在的网络分割，缩短整个网络的寿命[8]。为了避免某些节点的能量消耗过快，本文还对一种能量平衡算法进行了研究。
本文的其余部分组织如下。在第二部分，我们回顾相关的工作。第3节简要介绍了ZigBee特性的相关内容，并在第4节中提出了自适应路由优化和能量平衡算法。第5节给出了仿真结果。最后，结论见第6节。
2 相关的工作
到目前为止，虽然大多数关于ZigBee路由的研究都集中在Z-AODV[9]上，但在协议改进、信标槽分布、混合路由算法等方面也有一些在层次网络路由性能优化方面的进展。在[10]中给出了一种改进的树路由机制，并给出了邻表的内省。通过对每个相邻设备的传输成本(例如:hops)进行估计，并与改进路由路径进行比较。它具有更好的性能，每包的功率消耗更小，寿命周期更长。但是，该算法是基于双跳邻居信息的;它可能会导致ZigBee网络的严重的能量和内存开销。[11]研究了ZigBee分层网络中信标槽的重用模式。研究表明，信标槽可以被合理地重用，特别是当此类复用引起的信标碰撞风险较低时。在此基础上，提出了基于zigbee兼容、分布式和风险感知的prob-概率信标调度算法。通过算法，可以很容易地评估槽重用的风险，从而决定是否允许重用，从而降低传输延迟。然而，该算法的一个关键参数是节点传输的估计范围，它可能会在无线信道中快速变化。这可能会降低性能，并导致beacon槽重用的冲突。在[12]中，提出了一种无水驱的混合路由算法。利用层次拓扑信息优化路由请求广播，减少开销。并且，节点的住宅能量被认为是平衡能量消耗的一个路由指标。然而，优化的链路基于分层拓扑结构，路由请求的覆盖范围;因此，路由效率仍然存在问题。在[13-15]中，au- thors提出了几种类似的分层拓扑的路由算法;邻桌的信息被用来获得较短的路径。然而，其方法中的链接仍然是不变的。合在无线个域网不需要也不允许任何通信，以保持路由路径为低功耗的目的。在ZigBee规范中，所有ZigBee设备都需要维护邻接表，这些表记录了它们的单跳邻居节点的信息。表中的内容包括每个邻居的地址、设备类型、接收器的sta- tus和链路质量[16]。这些表中的信息反映了网络的拓扑结构，可以用来提高性能。此外，这个过程不会在网络中产生额外的成本。因此，本文提出了一种自适应路由优化方案。采用ZigBee规范中要求的邻接表来提高路由性能;因此，al- gm不需要任何额外的通信。adap路由优化的重点是维护路由路径。当节点决定其父节点时，可以考虑拓扑优化，如果有更好的选项，则可以更改链接。因此，在不进行额外通信的情况下，路由性能可以得到改善。
考虑到能量平衡的方法，它应该足够简单，可以由ZigBee装置进行。一些类似的工作可以作为参考。在[17]中，提出了一种考虑传感器节点移动性和信道质量的能量感知路由算法。在[18]中提出了一种考虑到簇头和电池电平距离的拓扑。[19]提出了一种基于跨层设计的UWB传感器网络的节能协议。虽然上述作品不能直接移植到ZigBee设备上，但算法可以显著地平衡不同网络的功耗。作为参考，该算法的设计、电源指示和拓扑维护方法为我们的工作打下了坚实的基础。此外，还有一些论文关注ZigBee网络的能源问题。在[20]中，提出了一种基于能量感知和能量平衡的改进的ZigBee树路由算法。为了最小化能源消耗，缺省情况下，包在树拓扑中传输。对于低电量的设备，由于链接成本考虑到剩余的能量，路由请求可以找到新的路径。然而，该算法使数据包在具有足够功率的设备中被转发;它并不是全局拓扑优化的解决方案。此外，该算法引入了额外的路由请求和响应，这可能会加剧能量的不足。在[21]中，提出了一种基于能量平衡的优化ZigBee树路由算法。优化后的算法导入邻接表和节点深度，以确定路由跳的局部最优路由。该算法还考虑节点的剩余能量，避免在路由选择中选择低电量节点。然而，ZigBee协调员(ZC)维护了进入省电的门槛;因此,维护在全局拓扑结构中，可能会导致额外的数据变化，这可能占用有限的带宽。维持成本和可实施性可能需要进一步的研究。
地址空间，用于为其子节点分配网络地址。给定Cm、Lm和Rm，我们可以计算函数Cskip(d)，即每个父结点在深度d上分布的地址子块的大小[23]。
3 ZigBee规范和路由方法
3.1无线个域网的概述
基于ieee802.15.4协议，ZigBee特性定义了更高层次的标准。在ZigBee中定义了三种设备类型:ZC、ZigBee路由器(ZR)和ZigBee终端设备(ZED)。ZC负责建立一个新的网络。ZigBee协调器和路由器是可以路由的，而ZigBee终端设备不能参与路由，必须依赖其相应的ZigBee父路由器[22]。
1 Rmthorn;厘米minus;minus;厘米times;那么使用RLm dminus;minus;1 =eth;1minus;RmTHORN;;Rm gt; 1:
网络地址Ad 1、rn和Ad 1，分别按顺序依次分配给nth路由器子和第lth端设备子，如图(2)所示:
ZigBee网络层(NWK)提供了动态网络生成、寻址、路由和发现单跳邻居等功能。建议在分层树中分配网络地址。已部署的ZigBee设备会自动构建网络，然后诸如连接/离开设备之类的更改会自动反映在网络工作配置中[23]。
3.2 链路质量指示
ZigBee设备支持测试链路质量指示(LQI)测量的功能，每次都是一个框架。LQI测量是对收到的数据包的强度和/或质量的一个表征。这种测量方法可以用接收机能量检测(ED)、信噪比估计或这些方法的组合来实现。在IEEE 802.15.4标准中没有指定网络或应用程序层使用LQI结果。
对每个收到的数据包进行LQI测量，并将结果报告给MAC子层。最小和最大的LQI值(0x00和0xff)应该与接收端检测到的最低和最高质量的ieee802.15.4信号相关联，并且在这两个限制之间的链路质量(LQ)值之间的连接是单式的。每一个接收到的数据包的LQI信息都可以根据标准获得，不再需要额外的计算和通信[23]。
3.3 地址分配和合
在ZigBee规范中，建议使用分布式的地址分配机制(DAAM)来生成树结构。参数Cm表示最大的子节点数，Rm表示可作为路由器的子节点数，Lm决定网络的最大深度。对于相同的网络，不同的节点通常有恒定的Cm和Rm。每个可能的父节点都有一个有限子块。地址空间，用于为其子节点分配网络地址。给定Cm、Lm和Rm，我们可以计算函数Cskip(d)，即每个父结点在深度d上分布的地址子块的大小[23]:
网络地址Ad 1、rn和Ad 1，分别按顺序依次分配给nth路由器子和第lth端设备子，如图(2)所示:
但事情代表了父母的地址和1le;nle;Rm。
ZigBee网络中的层次拓扑结构是基于此的。在这个树状结构中，如果目标地址位于一个节点正在管理的地址空间中，那么节点将数据包转发给它的一个子节点。否则，它将数据包转发给其父。
3.4 邻居表
每个ZigBee设备维护一个邻接表，它在一个单跳传输范围内拥有所有邻居的信息。一个邻居条目的内容是网络的个人区域网络(PAN)标识符、节点的扩展广告-服装、网络地址、设备类型、关系、LQI等。当节点连接到现有网络时，将创建表中的条目。相反，当邻居节点离开网络时，邻居条目被重新移动。由于邻居表上的信息每次接收到来自某个邻居节点的任何帧时都会更新，所以邻居表的信息可以随时更新。
4 自适应路由优化和能量平衡算法
在此部分，本文将基于ZigBee网络中基于链路质量的改进体系结构进行智能网格应用，并在ZigBee栈中进行相应的修改。ZigBee的层次树结构为无线网络提供了一种简单可靠的拓扑结构。然而，数据传输总是比在Z-AODV中需要更多的hops。这主要是由两个因素引起的:首先，HRP只能使用父子链接，而Z-AODV则可以将数据发送给所有邻居节点;其次，作为一种自适应的路由方法，HRP不会更新。
传输路径只要当前链路可用。前者是树结构的必然结果。无论如何，后者可以被克服，以获得更好的路由执行。在此基础上，提出了一种基于ZigBee分层网络的简单能量平衡方案。在“ZigBee spe- cification”中，当当前的节点通过在HRP中广播重新连接请求失败时，节点只会尝试寻找新的链接。本课程有三个缺陷:通信和节点能量的大消耗、当前拓扑约束的非最优路径和初始化时的约束条件。建议的方案可能会试图改进网络，从上面的如下图。
4.1
在重新连接过程中大量的通信和能量消耗，本地节点要求所有邻居都是新父母，所有能够接受新孩子的邻居都会响应这个请求。请求节点将选择具有最佳链接质量的邻居作为新父节点。可以看出，该节点及其所有潜在的父母可能在这一过程中发送消息并占据无线信道，而它所需要的唯一信息，在本质上是潜在父母的链接质量。在第3.4节中，当从邻居接收数据时，节点将更新其邻接表，而LQ值可以由任何单个数据包来度量。在我们的方案中,我们在NWK框架头中添加一个1位长的空间来表示节点是否能够接收新的子节点。因此，在重新加入的过程中所需要的所有必要的信息都可以在日常的邻桌上进行交流。当一个节点试图更新它的父-子链接时，它只需要直接向合适的候选节点发送一个连接请求。
4.2
在HRP中受当前拓扑约束的非最优路径，节点按顺序连接网络，在数据传输中保持不变。连接过程只选择具有最佳LQ的节点作为父节点;然而，它不能保证它也是整个网络的全局最优。如图1所示，节点8是原始ZigBee网络中节点7的子节点。虽然它提供了一个更好的链接质量给它的父，数据到协调的链接可能有三个跳。由于HRP中的hops的数量主要受源节点和目标节点的深度的影响，因此节点在提出的路由优化算法中，会根据深度和LQ来选择它的父节点。
第i个候选父节点的优先级是PPri。计算(3)LQi是第i个节点的链接质量值，Di是它的深度，maxLQ和maxD是网络中可用的最大值(maxLQ和Lm的0XFF) 。
一个预先设定的常数来调整LQ和深度的重量。节点将选择具有最大PPri值的候选者作为其父节点。根据上述原理，节点8是我们方法中的节点2的子节点，它改进了全局路由性能，因为从它到ZC的数据传输只需要两跳。
假设在图1所示的网络中，有能力的子元素Rm的最大数量为4。当节点5尝试加入网络时，ZC已经有4个路由器子节点，因此节点5不能是ZC的子节点。这是因为ZigBee分层拓扑试图避免由网络维护引起的额外通信，它无法改变现有的链接。然而，由于HRP的数据传输机制，一些改进可以用很少的成本。在我们的方案中，当收到来自其他节点的连接请求或来自上层的命令时，父节点可以维护和更改其子节点。对于深度d的父节点，它的子节点是其所有的邻居，包括当前
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