CN105323820B - ZigBee路由网络及其通信路由协议 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种ZigBee路由网络及其通信路由协议，所述ZigBee路由网络由父子关系的节点组成，每个节点都保存一张邻居节点列表，所述邻居节点列表存储有该节点传输范围内的邻居节点的以下信息：(1)从源节点得到的各邻居节点的标识符；(2)一个数据包从各邻居节点到达基站节点的绝对时间以及各邻居节点的剩余能量。通过在每个节点设置邻居节点列表，整个路由线路中节点只需要知道其邻居节点的路由信息，直接与基站节点链接，这样就减少了每个节点的内存需求，此外每个节点可根据需要选择最近的节点将数据包传送给基站节点，更加高效和节能。

Description

ZigBee路由网络及其通信路由协议
技术领域
本发明涉及路由网络及其通信路由协议，尤其涉及一种ZigBee路由网络及其通信路由协议。
背景技术
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的一种短距离、低功耗的无线通信技术，也是无线传感网络中具有代表性的通信技术。ZigBee的低成本、低功耗、短时延、高容量使得它在智能建筑、精细农业、自动化工业等方面都有着广泛的应用前景。ZigBee联盟在IEEE802.15.4定义的物理层和媒体接入层的基础之上定义了网络层和应用层，构成了ZigBee的标准协议，其中网络层规范是ZigBee标准的重要组成部分，主要功能是建立新的网络，处理节点的加入和离开网络，并提供网络的路由查找和传送数据功能，路由算法是它的核心。
路由协议的设计和分析是无线传感网络的核心问题。目前，ZigBee网络支持的路由算法协议可以被分为两种类别，一类称为表格控制的路由协议。在表格控制的路由协议中，所有的路由信息不管是最新的还是一直都存在的都保存在所有节点内去作用的每个节点，如DSDV。另一类称为按需路由协议。在按需路由协议中，路由是在被需要的时候建立的。如果一个源节点需要找一个目的节点，它会调用路由发现机制去找到连接目的节点的路径，如TORA、DSR和AODV。
上述无线传感网络的路由协议各有其优缺点，并各有其适用的情况，如规模和移动性不同等情况，它们都在一定程度上达到了Ad hoc网络的某些要求。由于它们采用了广泛的路由发现和维护机制，在节点固定并且负载量大的网络中，最大的问题是会产生大量的重复分组，占用网络资源，使路由器和链路的资源过于浪费，以致效率很低，制约网络性能。在实际应用中，无线传感网络节点由电池供电，由于节点长时间工作于无人值守的恶劣环境，会影响网络的运行。传感器节点的电源能量限制和路由算法应用使路由协议成为ZigBee网络中一个非常重要的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单高效且节能的ZigBee路由网络及其通信路由协议。
为了达到上述目的，一方面，本发明提供了一种ZigBee路由网络，所述ZigBee路由网络由父子关系的节点组成，每个节点都保存一张邻居节点列表，所述邻居节点列表存储有该节点传输范围内的邻居节点的以下信息：(1)从源节点得到的各邻居节点的标识符；(2)一个数据包从各邻居节点到达基站节点的绝对时间以及各邻居节点的剩余能量。
另一方面，本发明提供了基于本发明第一方面所述ZigBee路由网络的通信路由协议，其包括以下步骤：
步骤A，初始化设置；
步骤B，数据转发；
步骤C，数据聚合；
步骤D，路由维护。
本发明的有益效果是：所述ZigBee路由网络虽然是由父子关系节点形成的，但是整个路由线路中节点只需要知道其邻居节点的路由信息，直接与基站节点链接，这样就减少了每个节点的内存需求。此外每个节点可根据需要选择最近的节点将数据包传送给基站节点，更加高效和节能。
附图说明
图1为本发明通信路由协议的具体步骤的框线图；
图2为本发明通信路由协议的数据转发步骤的框线图；
图3为本发明通信路由协议的数据聚合步骤的框线图；
图4为本发明通信路由协议的数据转发步骤的示意图。
具体实施方式
一方面，一方面，本发明提供了一种ZigBee路由网络，所述ZigBee路由网络由父子关系的节点组成，每个节点都保存一张邻居节点列表，所述邻居节点列表存储有该节点传输范围内的邻居节点的以下信息：(1)从源节点得到的各邻居节点的标识符；(2)一个数据包从各邻居节点到达基站节点的绝对时间以及各邻居节点的剩余能量。
优选的，所述各邻居节点的标识符为PNA标示符，每个独立的邻居节点对应一个唯一的PNA标示符。利用该PAN标识符,可采用16位的短地址码进行节点间的通信。
另一方面，本发明提供了基于本发明第一方面所述ZigBee路由网络的通信路由协议，如图1所示，其包括以下步骤：
步骤A，初始化设置；
步骤B，数据转发；
步骤C，数据聚合；
步骤D，路由维护。
优选的，所述步骤A初始化设置包括，在基站发出广播和所有节点上电后，对各节点的邻居节点列表赋予到达基站节点的绝对时间以及剩余能量初始值，至所有节点匹配到基站节点。进一步优选的，在初始化设置过程中，如果有节点能量耗尽，则启动步骤D路由维护功能来更新邻居节点列表。考虑到路由中所有节点接收信息的有效性，每个节点在初始化过程中只应答一次。更进一步优选的，所述路由修复功能为周期性的。具体的，取决于网络的实际情况和应用场合。
如此，初始化设置结束后，每个节点到达基站节点的绝对时间和剩余能量被赋予初始值，用到达基站节点的绝对时间这个参考量比选择路径跳数在减少延迟和拥堵方面更为优秀。如图4所示，我们规定S为源节点，1、2、3分别为中间节点，D为基站，如果我们用跳数来作为发包基础，那么S-1-D显然为理想路径，但是这条路径有可能出现拥堵，因此，在送包过程中极有可能出现丢包和延长数据汇聚时间。而本发明的路由协议完美的解决了这个问题，根据到达基站节点的绝对时间这一参量的记录，节点会发现S-1-D这个路径所花的时间要长，则判断其正处在路由修复时期，固重新选择了S-2-3-D这个路径来替代，这样做可以保证更少的时间来到达基站，更重要的是采取了一个不拥挤的路径来避免丢包现象，那么图4也可以视为是源节点到目的节点的一个子网协议。
进一步优选的，如图2所示，所述步骤B数据转发包括：当一个节点感知到一个事件，它就会执行以下步骤，
B1：创建一个数据分组并判断此数据的优先级，并执行步骤B2或B4；
B2：若所述数据是优先类型，则会计算邻居节点列表内各节点的a/X+bY值，a/X+bY值最高的节点进行转发，其中，X为该节点到达基站节点的绝对时间的当前值，Y为该节点剩余能量的当前值，a、b为变系数；
B3：收到数据的节点重复步骤B1和B2直到数据包到达基站节点；
B4：若所述数据为普通类型，则会检查邻居节点列表，选择剩余能量较高的节点进行数据转发；
B5：收到数据的节点重复步骤B1和B4直到数据包到达基站节点。
如果优先数据包较多，那么占用相同节点几率会更高导致其早死，那么网络寿命将减少。为了避免这种情况，我们设置了一个参考值S＝a/X+bY，a、b为变系数，X、Y分别为该节点到达基站节点的绝对时间和该节点剩余能量的当前值，当节点接收到优先类型的数据包后计算邻居节点的a/X+bY，选择S值高的节点进行转发，这样就能解决在网络中优先数据包较多而导致节点死亡过快的情况。之所以把a、b设置为变系数，是因为到后期某个节点能量可能低至死亡的阀值，但当此节点的X值很小时，仍有可能被选中用来转发数据。为避免此种弊病，后期应将Y值的权重系数b相应增大，而a应相应减小，以此尽量避免此节点被选中。
进一步优选的，如图3所示，所述步骤C数据聚合使用的是一级数据聚合模式，做聚合的节点只是离其最近的节点，包括如下过程，在每个节点感知事件后，在转发前检查Aggregated_data字段，并执行以下步骤C1或C2：
C1：如果Aggregated_data字段为1，那么数据正常转发；
C2：如果Aggregated_data字段为0，停止数据转发。
在本协议中每个节点除了能完成正常的传感，数据发射/接收功能，还能够通过邻居节点列表来简单计算聚合函数。当第一个节点完成它的数据转发后，极有可能与之相邻的节点同样在转发这条数据包，通过一级数据聚合，可以避免避免数据冗余，从而节省节点能量，延长网络寿命。
进一步优选的，所述步骤D路由修复包括：当基站节点接收到数据包时反馈一个用于路由维护的信号。如此，能使协议更可靠还可以减少基站节点发起路由修复广播的频率。
进一步优选的，所述步骤D路由修复包括：基站节点定期发出广播更新邻居节点列表里的信息。具体的，所述广播频率取决于网络负载的能力。
本发明提供的通信路由协议与当前流行的DD、MCF协议进行了路由仿真和性能对比，可以看出本发明的路由协议不仅比传统的路由协议在截包率、到端延迟、网络吞吐量上优秀，而且比现今流行的路由协议DD、MCF在分组递交率、平均能耗、网络寿命上表现的更加突出，为ZigBee网络在解决能耗问题上提供了一种新的方案。因此，我们可以做以下结论：本发明的路由协议在保证数据高效传输的前提下，利用一级数据聚合的方法降低了冗余分组在网络内流动的几率，大大减少了节点的处理工作，达到了提高网络使用寿命的目的，适合在节点固定并且负载量大的网络中使用。

Claims (7)

1.一种ZigBee路由网络，所述ZigBee路由网络由父子关系的节点组成，其特征在于：每个节点都保存一张邻居节点列表，所述邻居节点列表存储有所述父子关系节点传输范围内的邻居节点的以下信息：(1)从源节点得到的各邻居节点的标识符；(2)一个数据包从各邻居节点到达基站节点的绝对时间以及各邻居节点的剩余能量，其中，所述ZigBee路由网络的通信路由协议包括以下步骤：
步骤A，初始化设置；
步骤B，数据转发；
所述步骤B包括：当一个节点感知到一个事件，它就会执行以下步骤，
B1：创建一个数据分组并判断此数据的优先级，并执行步骤B2或B4；
B2：若所述数据是优先类型，则会计算邻居节点列表内各节点的a/X+bY值，a/X+bY值最高的节点进行转发，其中，X为所述邻居节点到达基站节点的绝对时间的当前值，Y为所述邻居节点剩余能量的当前值，a、b为变系数；
B3：收到数据的节点重复步骤B1和B2直到数据包到达基站节点；
B4：若所述数据为普通类型，则会检查邻居节点列表，选择剩余能量高的节点进行数据转发；
B5：收到数据的节点重复步骤B1和B4直到数据包到达基站节点；
步骤C，数据聚合；
所述步骤C数据聚合使用的是一级数据聚合模式，做聚合的节点只是离其最近的节点，包括如下过程，在每个节点感知事件后，在转发前检查Aggregated_data字段，并执行以下步骤C1或C2：
C1：如果Aggregated_data字段为1，那么数据正常转发；
C2：如果Aggregated_data字段为0，停止数据转发；
步骤D，路由维护。
2.如权利要求1所述的ZigBee路由网络，其特征在于：所述各邻居节点的标识符为PNA标示符，每个独立的邻居节点对应一个唯一的PNA标示符。
3.如权利要求1所述的通信路由协议，其特征在于：所述步骤A包括，在基站发出广播和所有节点上电后，对各节点的邻居节点列表赋予到达基站节点的绝对时间以及剩余能量初始值，至所有节点匹配到基站节点。
4.如权利要求1所述的通信路由协议，其特征在于：在初始化设置过程中，如果有节点能量耗尽，则启动步骤D路由维护功能来更新邻居节点列表。
5.如权利要求1所述的通信路由协议，其特征在于：所述路由维护功能为周期性的。
6.如权利要求1所述的通信路由协议，其特征在于：所述步骤D包括：当基站节点接收到数据包时反馈一个用于路由维护的信号。
7.如权利要求1所述的通信路由协议，其特征在于：所述步骤D包括：基站节点定期发出广播更新邻居节点列表里的信息。
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