CN102264114B

CN102264114B - 一种ZigBee传感网树路由低开销优化方法

Info

Publication number: CN102264114B
Application number: CN2011102312038A
Authority: CN
Inventors: 任智; 樊海彬; 李玉兰; 陈前斌
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-08-12
Also published as: CN102264114A

Abstract

本发明公开一种ZigBee传感网树路由低开销优化方法，该方法包括寻路分组发出、寻路分组处理、回复分组发出和回复分组处理4个阶段。本发明通过在寻路分组的转发节点和跳数范围等方面对ZigBee传感网树路由优化过程中的泛洪操作进行限制，使泛洪开销显著减少；同时，允许中间节点对寻路分组进行回复，能够进一步减少泛洪开销并降低最优路由的寻路时延；而且，通过设计一种同时反映跳数和节点剩余能量的新的路径长度度量机制—合成跳数，能够在多路径情况下选择能量最优路由，从而均衡节点能耗，延长节点生存时间和网络寿命。

Description

一种ZigBee传感网树路由低开销优化方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及采用了ZigBee标准定义的分布式地址分配机制DAAM（Distributed Address Assignment Mechanism）和树路由机制、并且为网络中每个节点分配了独立标识的无线传感器网络。

背景技术

无线传感器网络是由分布在一定区域的多个具有无线通信功能的传感器节点组成的自组织、面向任务、以数据为中心的无线网络。作为一种新型的信息获取和传输系统，无线传感器网络在分布式部署和自组织运行等方面相较于传统网络具有优势，因此应用前景广阔，对于未来的物联网和泛在网络（Ubiquitous Networks）的实现和发展具有重要意义。

ZigBee标准是一套适用于低成本、低功率、低速率的无线个域网（Wireless Personal Area Networks，WPANs）的通信标准，主要定义网络层和应用层的通信协议，它以IEEE 802.15.4标准作为底层技术支撑，包括组网、地址分配和路由等方面的技术。树路由是一种利用树状网络拓扑进行数据传送的路由机制，ZigBee标准将其作为可选路由机制之一。分布式地址分配机制DAAM是ZigBee标准定义的两种节点网络地址分配机制之一，它分配的节点地址具有规律性，包含“地址—位置”对应关系，因此能对树路由形成良好支撑。目前，在采用ZigBee标准的无线传感器网络（以下简称“ZigBee传感网”）中，DAAM和树路由两种机制已成为常见的选择。

DAAM机制的具体原理如下：

首先，由网络协调器设定3个参数：父节点可以拥有的子节点的最大数目C _m，父节点可以拥有的路由子节点的最大数目R _m，网络的最大深度（用跳数表示）L _m。深度为d（d<L _m）的父节点，分配给其子节点的地址空间由下式给出：

(1)

设深度为d（d<L _m）的父节点地址为A _p，它的子节点的地址如下给出：

路由子节点地址A _r：

A _r=A _p+C _skip(d)×(n-1)+1, 1 ≤ n≤R _m (2)

其中，n表示路由子节点加入网络的顺序数；

终端子节点地址A _e：

A _e=A _p+C _skip(d)×R _m+n, 1≤n≤C _m-R _m (3)

其中，n表示终端子节点加入网络的顺序。

附图1为C _m=4、R _m=3、L _m=2时用DAAM机制分配的地址。

由附图1可知，当参数C _m、R _m、L _m确定之后，网络中任何一个路由节点可分配给其子节点的地址都随之确定；这种地址分配机制的优点在于：可以通过地址本身确定节点之间的相互位置关系，并据其判断树路由的方向，从而不需要维护路由表。

ZigBee传感网中的树路由机制以上述地址分配机制形成的“地址—位置”关系为基础运行。在该机制中，欲发送数据分组的当前节点根据自己的地址（设为A）和网络深度（设为d）以及目的节点的地址（设为D）来确定数据分组的下一跳节点地址（设为N）并进行转发；具体方法和步骤如下：

（1）当前节点判断下式是否成立：

A<D<A+C _skip(d-1) (4)

若成立，则确定目的节点是自己的一个子孙节点，进入第（2）步；否则，将数据分组转发给自己的父节点。

（2）当前节点判断下式是否成立：

D>A+R _m×C _skip(d) (5)

若成立，则确定目的节点是自己的一个终端子节点，下一跳节点地址N=D，直接将数据分组转发给D；否则进入第（3）步；

（3）当前节点用下式计算下一跳节点地址N：

N=A+1+

×C _skip(d) (6)

然后将数据分组转发给地址为N的节点。

ZigBee传感网中的树路由机制不需要进行路由发现和保存路由表，因此较为简单；但是所选择的路由往往不是最优的，如附图2所示，节点4向节点6发送数据，按照树路由机制，其转发路径是：4-2-1-3-6，这条路径的跳数是4跳，不是最优的；最优的路径是4-5-6，只有2跳。并且，在树路由中，深度越小的节点帮助其它节点转发数据的概率更大，通信负担也更易偏大，这会造成节点资源消耗的不均衡，从而使局部节点资源消耗过快而影响整个网络的寿命。而ZigBee传感网可以使用的另一种路由机制，即按需路由，能够在源和目的节点之间找到一条最优路由，但它在用泛洪方式查找路由时需要大量节点参与寻路分组转发，这会造成网络资源的较大消耗，如附图3所示；此外，按需进行路由发现有一定延时，会对数据通信造成一定的额外延迟。因此，如果能够将树路由和按需路由有机结合，扬长避短，既获取最优路由又控制开销，同时发挥中间节点（在本发明中将收到寻路分组且不是源、目的节点的节点称为“中间节点”）的回复作用，就能够提升路由性能。

目前，在树路由和按需路由相结合方面已有一些研究，主要思路是以树路由为基础，使用按需路由对其进行优化。Won-Ju Yoon等设计了一种用按需路由优化树路由的方法，从数据分组获得寻路分组的跳数阈值，由数据分组的目的节点发起寻找到源节点路由的优化过程（参见文献: Won-Ju Yoon, Sang-Hwa Chung, Seong-Joon Lee, and Yun-Sung Lee. An efficient cooperation of on-demand and proactive modes in Hybrid Wireless Mesh Protocol[C]. 33rd annual IEEE conference on local computer networks (LCN 2008), Montreal, Canada, October 20-23, 2008, pp. 52-57）；该方法用数据分组经历的跳数限制寻路分组的泛洪范围，仍存在显著的冗余开销；而且，由目的节点发起路由优化过程，会为最优路由的建立带来额外延迟。在袁道敏等设计的树路由优化方案中（参见文献: 袁道敏, 万健, 何必仕. 一种实用的ZigBee网络路由算法. 杭州电子科技大学学报, 2009, 29(2): 44-47），由数据分组的源节点发起路由优化过程，但未考虑对泛洪开销的控制。班艳丽等提出的ZigBee传感网树路由按需优化方案（参见文献: 班艳丽, 柴乔林, 王芳. 改进的ZigBee网络路由算法. 计算机工程与应用, 2009, 45(5): 95-97,116）用源节点发起路由优化过程并将泛洪跳数范围限制为2L _m，同时从节点剩余能量和父子关系两方面限制寻路分组的转发节点；参数2L _m对泛洪跳数范围的限制显得不够，而且该方案所用的节点剩余能量和父子关系限制有可能漏掉最优路由。

从上述反映研究现状的文献内容可知，到目前为止，对ZigBee传感网树路由优化的研究仍然存在以下问题：

（1）对寻路分组泛洪跳数范围的限制不够；

（2）对寻路分组转发节点的限制不够；

（3）中间节点答复寻路分组的机制考虑和设计较少；

（4）多路径存在时如何优选考虑和设计较少。

存在的上述问题对ZigBee传感网树路由性能优化造成了一定影响，因此，本发明将针对这些问题提出一个综合解决方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术对ZigBee传感网树路由进行优化时性能不理想、泛洪寻找最优路由的开销较大、可能漏掉最优路由的缺陷，提出一种基于受控泛洪的ZigBee传感网树路由低开销优化方法。在该方法中采用限制寻路分组的泛洪跳数和转发节点、允许中间节点答复寻路分组、在多路径情况下综合考虑跳数和节点剩余能量进行路径优选等机制，尽可能地减小泛洪开销和寻路延迟，并保障最优路由的获得。该方法包括寻路分组发出、寻路分组处理、回复分组发出和回复分组处理4个阶段。具体包括如下步骤：

判断目的节点是否是源节点的父节点或子孙节点。源节点根据节点的“地址—位置”关系计算寻路分组跳数阈值。源节点生成一个新的控制分组—寻路分组，将源节点和目的节点地址、跳数阈值、源节点的剩余能量值填入寻路分组，用广播方式发送寻路分组给所有邻居节点。如果收到寻路分组的节点不是源节点的父节点或子孙节点，则在路由表中建立指向源节点的路由表项，在新建路由和已有路由中选择“合成跳数”值小的路径作为反向路由。中间节点根据转发条件判断是否对上述寻路分组进行转发。满足转发条件的中间节点，将寻路分组的经历跳数字段值加1，并在节点剩余能量字段中保持最小剩余能量，然后将寻路分组发送给所有邻居节点。目的节点根据寻路分组经历跳数与跳数阈值之间的关系、中间节点根据中间节点回复标志，对寻路分组进行回复。目的节点（或中间节点）生成一个新的控制分组—回复分组，将整条路径的合成跳数值h _i装入其“路径长度”字段，然后将回复分组发送给通往源节点的下一跳节点。中间节点根据回复分组在路由表中建立指向目的节点的路由表项，将回复分组发送给通往源节点的下一跳节点。源节点根据路由的合成跳数值选择最优路由。

本发明对寻路分组转发节点的限制能够在保障泛洪效果的前提下减小寻路分组泛洪的跳数范围；减少泛洪操作的参与节点，从而能够进一步降低泛洪开销；在多路径情况下引入节点最小剩余能量因素的路径优选机制能够均衡节点能耗、延长节点生存时间和网络寿命；允许中间节点对寻路分组进行回复，不仅有利于减少泛洪开销，而且能够缩短最优路由发现时延，从而促进数据分组端到端传输时延的降低。

附图说明

图1 为C _m=4、R _m=3、L _m=2时用DAAM分配的地址；

图2 为树路由数据转发示例；

图3 为按需路由的寻路操作示例；

图4为本发明基于受控泛洪的ZigBee传感网树路由低开销优化方法框图；

图5为回复条件判断流程。

具体实施方式

本发明针对前文所述的ZigBee传感网树路由优化领域的问题，提出一种基于受控泛洪的ZigBee传感网树路由低开销优化方法，在该方法中采用限制寻路分组的泛洪跳数和转发节点、允许中间节点答复寻路分组、在多路径情况下综合考虑跳数和节点剩余能量进行路径优选等方面的新机制，尽可能减少泛洪开销，降低最优路由的建立时延，选择跳数最少、径内节点最小剩余能量值最大的路径，均衡节点能耗，延长节点生存时间和网络寿命。

附图4所示为本发明提出的基于受控泛洪的ZigBee传感网树路由低开销优化方法的组成框图。它包含寻路分组发出、寻路分组处理、回复分组发出和回复分组处理4个阶段。其中，寻路分组发出阶段包含：寻路需求确定，寻路分组跳数阈值确定，寻路分组生成和发送；寻路分组处理阶段包含：反向路由建立，转发条件判断，寻路分组转发；回复分组发出阶段包含：回复条件判断；回复分组生成和发送；回复分组处理阶段包含：正向路由建立，回复分组转发，源、目的节点间最优路由建立。具体如下：

寻路需求确定。

当源节点有数据分组要发往目的节点时，首先用节点的“地址—位置”关系计算并判断目的节点是否是自己的父节点或子孙节点，如果二者皆不是，且在路由表中无通往目的节点的路由，则确定具有寻路需求。

判断目的节点是否是源节点的父节点或子孙节点可采用如下方法：设P _s(d)、P _d(d)分别表示源节点S、目的节点D的深度为d（d为非负整数）的父节点的地址；因为网络协调器是它们的公共父节点，且网络协调器的地址和深度都为0，因此有：P _s(0)=P _d(0)=0。节点可使用下述公式计算S的深度为d+1的父节点的地址:

P _s(d+1)= P _s(d)+1+

×C _skip(d) (7)

D的深度为d+1父节点地址为:

P _d(d+1)= P _d(d)+1+

×C _skip(d) (8)

其中深度为d的父节点分配给子节点的地址空间C _skip(d)由公式(1)给出。其中，“

”表示向上取整运算。

将P _s(0)=P _d(0)=0代人公式(7)、(8)，即可逐跳求出源、目的节点的所有父节点的地址和深度，以及目的节点的深度d _des；源节点和目的节点是否具有父子关系便可确定。

例如：对于公式(8)，取d=0，则可得到目的节点D的深度为1跳的父节点地址为：

P _d(1)= P _d(0)+1+

×C _skip(0)

其中，P _d(1)为该节点地址，d+1=0+1=1则为该节点深度；以1为步长逐渐增大d并计算P _d(d+1)，当P _d(d+1)=D，此时的d+1值便是目的节点的深度d _des。

寻路分组跳数阈值确定。

源节点根据节点的“地址—位置”关系计算寻路分组跳数阈值。具体计算方法为：

根据“寻路需求确定”确定源、目的节点的最大深度公共父节点F及其深度d _F；根据公式：h=d _src+d _des-2d _F-1计算寻路分组跳数阈值h，其中，d _src为源节点深度（源节点在获得地址时便已知道此值），d _des为目的节点的深度。如果F为协调器，则d _F=0。

寻路分组生成和发送。

源节点生成1个新的控制分组—寻路分组，将源节点自己及目的节点的地址分别填入寻路分组的“源节点地址”和“目的节点地址”字段，跳数阈值h填入 “跳数阈值”字段，源节点的剩余能量值填入“节点最小剩余能量”字段，“经历跳数”字段值设为0，“中间节点回复标志”字段缺省设置为1；然后用广播方式将寻路分组发送给所有邻居节点。

寻路分组的基本字段及设置如下：

反向路由建立。

收到寻路分组的节点判断寻路分组的源节点是否是自己的父节点或子孙节点（可根据“寻路需求确定”中的方法计算并判断），如果均不是，则在路由表中建立1条指向源节点的路由表项。如果收到寻路分组的节点已有通往源节点的有效路由，则比较新建立路径和已有路径路由的“合成跳数”值，保存“合成跳数”值小者的路径。

为了在比较路径长度的过程中同时考虑跳数和节点剩余能量，且优先考虑跳数，本发明提出一种新的路径长度度量机制—合成跳数，合成跳数h _i=路径的跳数长度h ₀+(节点初始能量值E _i?路径中节点剩余能量的最小值E _r)/节点初始能量值E _i；∵E _i≥E _r≥0，∴0≤

≤1；则h ₀≤h _i≤h ₀+1；表明合成跳数指标能够在跳数优先的条件下考虑路径中节点的最小剩余能量。如剩余能量上升，则合成跳数h _i降低，路径被选中的概率上升，从而有助于实现节点能耗均衡，延长节点生存时间和网络寿命。

转发条件判断。

中间节点根据转发条件判断是否对寻路分组进行转发。满足转发条件的中间节点，将寻路分组的经历跳数字段值加1，并在节点剩余能量字段中保持最小剩余能量，将寻路分组发送给所有邻居节点。

收到寻路分组的中间节点进行判断，可根据下述条件进行判断，如果下述转发条件同时成立，则转发寻路分组：(1)寻路分组经历跳数字段值+1≤跳数阈值h；(2) 本节点是源、目的节点的最大深度公共父节点F的子孙节点；(3)本节点不是目的节点；(4)在允许中间节点回复的情况下，本节点的路由表中无通往目的节点的有效路由表项，且本节点不是目的节点的父或子孙节点。。

寻路分组转发。

所述寻路分组转发具体为：收到寻路分组且满足转发条件的节点，执行以下操作：(1)将寻路分组的经历跳数字段值加1后重新写入该字段；(2)比较本节点的剩余能量值和寻路分组中节点最小剩余能量字段值，将小者写入该字段；(3)用广播方式将寻路分组发送给所有邻居节点。

回复条件判断。

根据寻路分组经历跳数与跳数阈值之间的关系，以及中间节点回复标志判断是否对寻路分组进行回复。

如果目的节点收到寻路分组，则判断回复条件“经历跳数字段值+1≤跳数阈值字段值h”是否满足，若满足，则对寻路分组进行回复；如果目的节点的父节点或子孙节点，或者具有到目的节点有效路由的中间节点收到寻路分组，则判断回复条件“中间节点回复标志为1”且“经历跳数字段值+1+本节点到目的节点的跳数距离≤跳数阈值字段值h”是否满足，若满足，则对该寻路分组进行回复。

回复条件判断流程如附图5所示。回复条件包括2方面：（1）是目的节点，或者是目的节点的父节点，或者是目的节点的子孙节点，或者有通往目的节点的有效路由；（2）路径的跳数≤跳数阈值。

回复分组生成和发送。

对寻路分组进行回复的节点生成1个新的控制分组—回复分组；将整条路径的合成跳数值h _i装入其中“路径长度”字段，然后用单播方式将回复分组发送给通往源节点的下一跳节点。中间节点进行回复时，整条路径的合成跳数值中的跳数需将源节点到本节点和本节点到目的节点两段路径的跳数相加。回复分组的主要字段及其设置如下：

正向路由建立。

收到回复分组的中间节点在路由表中建立指向目的节点的路由表项。

中间节点收到回复分组后，在路由表中建立指向目的节点的路由表项，表项中的合成跳数值=回复分组经历跳数+回复分组中路径合成跳数字段值的小数部分。

回复分组转发。

收到回复分组的中间节点，从自己的路由表中查找到通往源节点的下一跳节点，然后用单播方式将回复分组发送给该节点。

源、目的节点间最优路由建立。源节点根据路由的合成跳数值选择最优路由。

源节点收到回复分组后，在路由表中建立通往目的节点的路由表项，该表项中的跳数距离字段填入回复分组中的合成跳数值。如果源节点已有通往目的节点的有效路由，则比较前后两条路由的合成跳数值，将值小者作为最优路由保存。

本发明提出的基于受控泛洪的ZigBee传感网树路由低开销优化方法，提出了一种寻路分组转发节点的新机制：只有源、目的节点的最大深度公共父节点的子孙节点才能转发寻路分组；这样，就将寻路分组的泛洪操作限制在以源、目的节点的最大深度公共父节点为根的树状拓扑区域中；进一步减小寻路分组泛洪的跳数范围：从现有的d _src+d _des-2d _F减小为d _src+d _des-2d _F-1，而且不会影响寻路效果，其中d _src、d _des分别为源节点和目的节点的深度，d _F为源、目的节点的最大深度公共父节点的深度；提出一种多路径情况下的路径优化选择机制：通过引入节点的最小剩余能量因素，选择路径内节点的最小剩余能量值最大的路径；提出一种可选的中间节点回复机制：允许中间节点，尤其是目的节点的父节点和子孙节点，对寻路分组直接进行回复。

本发明适用于无线传感器网络技术领域，特别是采用了ZigBee标准定义的分布式地址分配机制DAAM和树路由机制的无线传感器网络技术领域。

如在节点数不小于3、采用了ZigBee标准定义的DAAM和树路由机制的无线传感器网络中，节点之间有数据分组需要传送且以树路由作为基本的路由机制；此时，可以使用本发明提出的基于受控泛洪的ZigBee传感网树路由低开销优化方法，通过本发明设计的限制寻路分组转发节点、引入节点剩余能量因素在多路径情形下优选路径、允许中间节点对寻路分组进行回复和减小寻路分组泛洪跳数等机制，在实现端到端路径最优化的同时，减小泛洪开销，降低最优路由的建立时延，均衡节点能耗，延长节点的生存时间和网络寿命。

Claims

1.一种基于受控泛洪的ZigBee传感网树路由低开销优化方法，其特征在于，包括如下步骤：源节点计算寻路分组跳数阈值，根据源节点及目的节点地址、跳数阈值、源节点剩余能量值构造寻路分组，将寻路分组发送给所有邻居节点；判断收到寻路分组的节点是否是源节点的父节点或子孙节点，如不是，则在路由表中建立指向源节点的路由表项，在路由表项的新建路由和已有路由中选择“合成跳数”值小的路径作为反向路由；收到寻路分组且满足转发条件的节点，将寻路分组的经历跳数字段值加1，并在节点剩余能量字段中保持最小剩余能量，将寻路分组发送给所有邻居节点；目的节点根据寻路分组经历跳数与跳数阈值之间的关系、中间节点根据中间节点回复标志判断是否进行回复；进行回复的节点将整条路径的合成跳数值h _i装入“路径长度”字段生成回复分组，然后将回复分组发送给通往源节点的下一跳节点；收到回复分组的中间节点根据回复分组在路由表中建立指向目的节点的路由表项，并将回复分组发送给通往源节点的下一跳节点；源节点根据路由的合成跳数值选择最优路由，所述转发条件具体为：寻路分组经历跳数字段值+1≤跳数阈值h，本节点是源、目的节点的最大深度公共父节点F的子孙节点，本节点不是目的节点，本节点的路由表中无通往目的节点的有效路由表项，且本节点不是目的节点的父或子孙节点；所述目的节点根据寻路分组经历跳数与跳数阈值之间的关系判断是否进行回复为：满足“经历跳数字段值+1≤跳数阈值字段值h”对寻路分组进行回复；所述中间节点根据中间节点回复标志判断是否进行回复为：满足“中间节点回复标志为1”且“经历跳数字段值+1+本节点到目的节点的跳数距离≤跳数阈值字段值h”对寻路分组进行回复。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断父节点或子孙节点的方法为：对于源节点S，当前节点调用公式P _s(d+1)=P _s(d)+1+

Figure 2011102312038100001DEST_PATH_IMAGE001

×C _skip(d) 计算源节点的、深度为d+1的父节点的地址；对于目的节点D，当前节点调用公式P _d(d+1)=P _d(d)+1+×C _skip(d) 计算目的节点的、深度为d+1的父节点的地址，其中，P _s(d)、P _d(d)分别表示源节点S和目的节点D的、深度为d的父节点的地址，C _skip(d)为深度为d的父节点分配给子节点的地址空间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算寻路分组跳数阈值具体为：根据源、目的节点的深度d _src、d _des，它们的深度最大的公共父节点的深度d _F，调用公式：h=d _src+d _des-2d _F-1计算寻路分组跳数阈值h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据公式：合成跳数h _i=路径的跳数长度h ₀+(节点初始能量值E _i?路径中节点剩余能量的最小值E _r)/节点初始能量值E _i计算合成跳数值h _i。