CN102143546B - 一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法，按照树型ZigBee网络中节点的分布，通过ZigBee树型网络的节点的位置及网络深度计算节点的网络地址，判断源节点数据传送的目标节点是该源节点的父节点、子节点或既不是父节点也不是子节点，根据判断结果对具有路由查询功能的RREQ分组的传输范围进行限制，降低冗余路由包的转发次数。本发明采用节点位置判断机制，具有灵活性，在保证网络无障碍通信的同时，极大的降低了ZigBee树型网络中冗余路由包的发送次数，降低了整个网络的路由开销，从而降低了节点能耗，延长了节点的生存时间。

Description

一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法
技术领域
本发明涉及ZigBee树型网络中基于位置判断机制的路由技术，具体涉及一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法。
背景技术
ZigBee作为一种新型的短距离无线通信技术，目前已经在各个领域得到了广泛应用。但由于ZigBee技术出现较晚，其规范及应用仍在不断的完善和发展之中，因此，对ZigBee网络路由算法的应用扩展和改进优化等问题的研究成为了目前的一个热点。ZigBee路由算法由Cluster-Tree算法和AODVjr算法共同组成。
Cluster-Tree算法：Cluster Tree(簇一树)路由算法与ZigBee路由层采用的分布式地址分配网络地址的算法密切相关，该地址分配方案为每一个父节点分配一个有限的网络地址段。这些地址在每一个特殊的网络是唯一的，并且由父节点分配给它的子节点。在Cluster Tree算法中，节点根据分组目的节点的网络地址计算分组的下一跳。
AODVjr算法：AODVjr是一种按需路由协议,其包括路由发现，路由建立，路由维护等阶段，为了保证路由无环路，AODVjr中规定只有分组的目的节点可以回复具有路由存在应答功能的RREP分组，即使中间节点存有通往目的节点的路由也不能回复路由应答命令帧。同时，路由错误命令帧仅转发给传输失败的数据分组的源节点，从而简化了路由表。
ZigBee路由协议定义了四个功能分组RREQ, RREP, RERR, keep_alive，每个功能分组所起到的所用各不相同。其中，RREQ分组用来询问节点是否知道到达目的节点的路由；RREP分组用来回复已知到达目标节点的路由；路由错误分组RRER表明链路出现故障，应选择其他能正常运行的路径；keep_alive分组向周围节点发送该分组，告知自身节点状态正常。
在ZigBee现有路由协议中，RREQ分组的传送范围为网络最大深度的2倍，即传送次数为网络节点最大跳数的2倍。在实际的路由建立过程中，源节点找到目标节点所发送的RREQ分组的次数通常情况远远小于2倍最大跳数，因此，在路由建立过程中产生许多冗余的RREQ分组，造成了极大的冗余网络开销。并且网络规模越大，网路节点分布越密集，产生的冗余网络开销就越多，这样将导致网络节点能量的快速消耗，降低网络节点生命周期。本发明正是在此前提下提出了一种降低冗余开销的路由算法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有ZigBee路由方法存在的缺点，提供一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法，在保证网络无障碍通信的同时，极大的降低了ZigBee树型网络中冗余路由包的发送次数，降低了整个网络的路由开销，从而降低了节点能耗，延长了节点的生存时间，具体技术方案如下。
一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法，一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法，按照树型ZigBee网络中节点的分布，通过ZigBee树型网络的节点的位置及网络深度计算节点的网络地址，基于节点位置判断源节点数据传送的目标节点是该源节点的父节点、子节点或既不是父节点也不是子节点，根据判断结果对具有路由查询功能的RREQ分组的传输范围进行限制，降低冗余路由包的转发次数。
上述的用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法，包括如下步骤：
步骤（1）树型ZigBee网络中除根协调器以外所有节点根据以下公式计算自己的隔离度，
                           Cskip(d)=                                                
Figure 718153DEST_PATH_IMAGE001
        
树型ZigBee网络中父节点至多拥有子节点个数为Cm，最大网络深度为Lm,父节点的子节点包含路由器的最大个数为Rm，除根协调器以外所有节点深度为d；所述根协调器网络地址为0，树型ZigBee网络中最大深度为L，源节点的网络深度为ds；
步骤（2）树型ZigBee网络中除根协调器以外所有节点由其父节点分配网络地址段，终端节点的隔离度Cskip(d)值为0，若某节点的隔离度Cskip(d)值不小于1，则该节点具备作为父节点并为其子节点分配不同网络地址的条件，获得网络地址的子节点具有路由器功能，能以隔离度Cskip(d)的值为刻度进行路由选择，所述分配具体方式如下：
若父节点的地址为Af, 则第z个节点的地址为：
Az=Af+Cskip(d) 
Figure 942461DEST_PATH_IMAGE002
Rm+z,    1
Figure 190909DEST_PATH_IMAGE003
Cm
Figure 412943DEST_PATH_IMAGE004
Rm  ，  该节点无路由能力；
Az=Af
Figure 12420DEST_PATH_IMAGE005
(z
Figure 978102DEST_PATH_IMAGE006
)
Figure 159685DEST_PATH_IMAGE002
Cskip(d)   1
Figure 533378DEST_PATH_IMAGE003
Cm
Figure 370884DEST_PATH_IMAGE004
Rm  ， 该节点有路由能力；
步骤（3）树型ZigBee网络中参与路径查询的节点计算目的地址，其计算依据为：
如果一个节点的地址为A, 深度为d, 若存在A<D<A+Cskip(d-1)，则其子节点的目的地址为D，通过该判断式得到目的地址计算方法；
步骤（4）源节点基于目标节点位置根据步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中的判断式判断出源节点数据传送的目标节点是该源节点的父节点、子节点或既不是父节点也不是子节点，相应地限制具有路由查询功能的RREQ分组的传输范围为ds、L-ds+2或L+ds，从而降低冗余路由包的转发次数；
步骤（5）通过上述4个步骤后目标节点接收到RREQ分组，按原路径反向回复RREP分组，建立最优路由。
上述方法中，所述步骤（4）中RREQ分组的传输范围为RREQ分组在ZigBee树型网络中从源节点传送到目标节点总共的转发次数。
上述方法中，所述步骤（4）中RREQ分组的数据包头文件包含有自身节点的IP。
上述方法的步骤（4）中，如果源节点需要传送数据的目标节点为其父节点或上代节点，则将RREQ分组的传输范围限制为ds，即RREQ分组从源节点经过ds跳后一定能够找到到达目标节点的路由；如果源节点需要传送数据的目标节点为其子节点或后代节点，根据ZigBee路由协议的传输机制，此时源节点会先将RREQ分组发送给其父节点，由其父节点进行路径查询，则将RREQ分组的传输距离限制为L-ds+2，增加了源节点转发RREQ分组给其父节点的一跳以及父节点重新传回RREQ分组给源节点的一跳，即RREQ分组从源节点经过(L-ds+2)跳后一定能够找到到达目标节点的路由；如果源节点需要传送数据的目标节点既不是其父节点，也不是其子节点，则将RREQ分组的传输距离限制为L+ds，即RREQ分组从源节点经过L+ds跳后一定能够找到到达目标节点的路由。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）扩展了RREQ分组的数据包头文件的内容，加入了节点自身IP地址和最大跳数的信息，使得RREQ分组的数据包头文件更加完善，应用范围更广。
（2）本算法引入了基于节点位置的判断机制，可以根据节点所处的具体位置，选择不同的RREQ分组传输范围，避免了原算法统一采用传输范围为2倍网络深度的缺点，增强了原有算法的灵活性。
（3）在保证网络无障碍通信的同时，极大的降低了网络中冗余路由包的发送量，从而降低了网络开销，节省了网络节点的能耗，延长了网络节点的生存时间。
附图说明
图1是本发明具体实施方案结构示意图。
图2是实施方式中降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法的流程图。
图3 是本实施方式中运用基于位置判断机制后RREQ分组的转发次数对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。
按照下述步骤组建如图1所示树型ZigBee无线传感网络，并将协调器网络地址设置为0，其他节点（路由和终端）也有标有相应的数字表示（1~8、20~22、43~50、56、62~65）。
降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法，具体步骤如下：
步骤（1） 树型ZigBee网络中除根协调器以外所有节点根据以下公式计算自己的隔离度，
Cskip(d)= 
Figure 936995DEST_PATH_IMAGE001
树型ZigBee网络中父节点至多拥有子节点个数为Cm=5，最大网络深度为Lm=3,父节点的子节点包含路由器的最大个数为Rm=3，除根协调器以外所有节点深度为d；所述根协调器网络地址为0，树型ZigBee网络中最大深度为L，源节点的网络深度为ds；
步骤（2）树型ZigBee网络中除根协调器以外所有节点由其父节点分配网络地址段，终端节点的隔离度Cskip(d)值为0，若某节点的隔离度Cskip(d)值不小于1，则该节点具备作为父节点并为其子节点分配不同网络地址的条件，获得网络地址的子节点具有路由器功能，能以隔离度Cskip(d)的值为刻度进行路由选择，所述分配具体方式如下：
若父节点的地址为Af, 则第z个节点的地址为：
Az=Af+Cskip(d) 
Figure 425614DEST_PATH_IMAGE002
Rm+z,    1
Figure 723871DEST_PATH_IMAGE003
Cm
Figure 110990DEST_PATH_IMAGE004
Rm  ，  该节点无路由能力；
Az=Af
Figure 667742DEST_PATH_IMAGE005
(z
Figure 496021DEST_PATH_IMAGE006
)
Figure 293076DEST_PATH_IMAGE002
Cskip(d)   1
Figure 88862DEST_PATH_IMAGE003
Cm
Figure 200038DEST_PATH_IMAGE004
Rm  ， 该节点有路由能力；
步骤（3）树型ZigBee网络中参与路径查询的节点计算目的地址，其计算依据为：
如果一个ZigBee的节点的地址为A, 深度为d, 若存在A<D<A+Cskip(d-1)，则其子节点的目的地址为D，通过该判断式得到目的地址计算方法；
如图2，步骤（4）源节点基于目标节点位置根据步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中的判断式判断出源节点数据传送的目标节点是该源节点的父节点、子节点或既不是父节点也不是子节点，相应地限制具有路由查询功能的RREQ分组的传输范围为ds、L-ds+2或L+ds，从而降低冗余路由包的转发次数；
步骤（5）对RREQ分组的数据包头文件进行扩展，加入自身节点的IP以及最大跳数信息，如表1所示：
表1 扩展后RREQ分组的数据包头文件
如果源节点2要传送数据的目标节点为其父节点或上代节点，如节点1和节点0，则将路由查询分组RREQ的传输范围限制为ds=2，即RREQ分组从源节点经过ds=2跳后一定能够找到到达目标节点的路由；如果源节点2需要传送数据的目标节点为其子节点或后代节点，如节点3或节点6，根据ZigBee路由协议的传输机制，此时源节点会先将RREQ分组发送给其父节点，由其父节点进行路径查询，则将RREQ分组的传输距离限制为L-ds+2=3，即增加了源节点转发RREQ给其父节点的一跳以及父节点重新传回RREQ给源节点的一跳。即RREQ分组从源节点经过(L-ds+2)=3跳后一定能够找到到达目标节点的路由；如果源节点2要传送数据的目标节点既不是其父节点，也不是其子节点，如节点44,节点45，则将RREQ的传输分组限制为L+ds=5，即RREQ分组从源节点经过L+ds=5跳后一定能够找到到达目标节点的路由，如图2所示。
步骤（6）通过上述5个步骤后目标节点接收到RREQ分组，按原路径反向回复RREP分组，建立最优路由。
如图1所示，随机选取9条路径：
路径一：第1组源节点4到第1组目标节点1；
路径二：第2组源节点（即第1组目标节点1）到第2组目标节点6； 
路径三：第3组源节点2到第3组目标节点50；
路径四：第4组源节点5到第4组目标节点0；
路径五：第5组源节点（即第3组源节点2）到第5组目标节点7；
路径六：第6组源节点44到第6组目标节点3；
路径七：第7组源节点47到第7组目标节点43；
路径八：第8组源节点（即第7组目标节点43）到第8组目标节点48；
路径九：第9组源节点（第3组目标节点50）到第9组目标节点1（即第1组目标节点1）。
按照以上6个步骤建立路由，运用NS-2，visual c++等软件进行仿真，作出运用本算法前后RREQ分组转发次数对比图，如图3所示。
通过图3可以证明运用本发明后，该网络中RREQ分组转发次数得到了明显的降低，从而达到了降低冗余路由包发送量，降低网络开销，节省节点能耗的目的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制于本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于降低树型ZigBee网络中冗余路由包的方法，按照树型ZigBee网络中节点的分布，通过ZigBee树型网络的节点的位置及网络深度计算节点的网络地址，基于节点位置判断源节点数据传送的目标节点是该源节点的父节点、子节点或既不是父节点也不是子节点，根据判断结果对具有路由查询功能的RREQ分组的传输范围进行限制，降低冗余路由包的转发次数；所述方法具体包括如下步骤：
步骤（1）树型ZigBee网络中除根协调器以外所有节点根据以下公式计算自己的隔离度，
        Cskip(d)=        
树型ZigBee网络中父节点至多拥有子节点个数为Cm，最大网络深度为Lm,父节点的子节点包含路由器的最大个数为Rm，除根协调器以外所有节点深度为d；所述根协调器网络地址为0，树型ZigBee网络中最大深度为L，源节点的网络深度为ds；
步骤（2）树型ZigBee网络中除根协调器以外所有节点由其父节点分配网络地址段，终端节点的隔离度Cskip(d)值为0，若某节点的隔离度Cskip(d)值不小于1，则该节点具备作为父节点并为其子节点分配不同网络地址的条件，获得网络地址的子节点具有路由器功能，能以隔离度Cskip(d)的值为刻度进行路由选择，所述分配具体方式如下：
若父节点的地址为Af, 则第z个节点的地址为：
Az=Af+ Cskip(d) 
Figure 2011100834902100001DEST_PATH_IMAGE004
Rm+z,     1
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Cm
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Rm  ，  该节点无路由能力；
Az=Af
Figure DEST_PATH_IMAGE010
(z)
Figure 1934DEST_PATH_IMAGE004
 Cskip(d)   1
Figure 106025DEST_PATH_IMAGE006
Cm
Figure 823446DEST_PATH_IMAGE008
Rm  ， 该节点有路由能力；
步骤（3）树型ZigBee网络中参与路径查询的节点计算目的地址，其计算依据为：
如果一个节点的地址为A, 深度为d, 若存在A<D<A+Cskip(d-1)，则其子节点的目的地址为D，通过该判断式得到目的地址计算方法；
步骤（4）源节点基于目标节点位置根据步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中的判断式判断出源节点数据传送的目标节点是该源节点的父节点、子节点或既不是父节点也不是子节点，相应地限制具有路由查询功能的RREQ分组的传输范围为ds、L-ds+2或L+ds，从而降低冗余路由包的转发次数； RREQ分组的传输范围为RREQ分组在ZigBee树型网络中从源节点传送到目标节点总共的转发次数；RREQ分组的数据包头文件包含有自身节点的IP和最大跳数；本步骤（4）中，如果源节点需要传送数据的目标节点为其父节点或上代节点，则将RREQ分组的传输范围限制为ds，即RREQ分组从源节点经过ds跳后一定能够找到到达目标节点的路由；如果源节点需要传送数据的目标节点为其子节点或后代节点，根据ZigBee路由协议的传输机制，此时源节点会先将RREQ分组发送给其父节点，由其父节点进行路径查询，则将RREQ分组的传输距离限制为L-ds+2，增加了源节点转发RREQ分组给其父节点的一跳以及父节点重新传回RREQ分组给源节点的一跳，即RREQ分组从源节点经过(L-ds+2)跳后一定能够找到到达目标节点的路由；如果源节点需要传送数据的目标节点既不是其父节点，也不是其子节点，则将RREQ分组的传输距离限制为L+ds，即RREQ分组从源节点经过L+ds跳后一定能够找到到达目标节点的路由；
步骤（5）通过上述4个步骤后目标节点接收到RREQ分组，按原路径反向回复RREP分组，建立最优路由。
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