CN107182074B - 一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，该方法包括如下步骤：源节点A收到数据传输指令，目的节点为D。找到源节点到目的节点的所有路径。确定传输路径的业务需求，基于业务属性特征的权值计算，筛选可行通信路径集合V，判断理想链路V*是否存在。如果存在则求解结束，如果理想通信路径不存在，利用欧氏距离求最接近理想的通信路径，作为下一个通信路径。该方法能够均衡节点能耗的前提下，降低传输时延，减少路径拥塞程度，延长节点的生存时间，提高网络传输效率，增强网络的鲁棒性。

Description

一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法

技术领域

本发明属于Zigbee无线传输网络技术领域，具体说是一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法。

背景技术

1.Zigbee网络结构

ZigBee协议有三种网络拓扑结构：星形结构(Star)、树型结构(Tree)和网络结构(Mesh)。ZigBee网络中存在三种网络节点，分别为中心协调器、路由节点和终端节点。协调器是整个ZigBee的中心，负责整个网络的组织、维护和管理工作，必须由全功能设备FFD构成；路由节点负责数据的传输和转发功能，路由节点必须由协调器控制；终端节点负责自身数据的发送并接受其他节点传过来的数据，可以由FFD或精简功能设备RFD构成。

2.Zigbee路由算法

考虑到ZigBee技术低功耗、高可靠性的设计目的，ZigBee采用Cluster-Tree和AODVjr相结合的路由算法(ZBR)。Cluster-Tree算法分为两部分：地址的分配与寻址路由；AODV是一种按需路由协议，AODVjr协议是对AODV协议的简化版。

在Cluster-Tree算法中，分组数据的转发总是沿着树形结构向上层父节点或下层子节点转发，例如地址为A；深度为d的路由节点收到目的地址为D的分组数据，先判断自己是否是目的节点，若是就向上层发送回复帧；若不是，根据下式判断目的节点是否是自己的子节点，即：Ar＜D＜Ar+Cskip(d-1)，如果目的节点是本路由节点的子节点，分组数据将被转发给相对应的子路由节点或子终端节点，如果不是，分组数据将被转发给它的父节点Cluster-Tree算法适合于移动节点较少的场合，属于静态路由。此算法的优点是转发判断条件简单，不需要存储路由表，因此，单个节点的路由开销较小；缺点是分组数据转发的路径不是最优的，而且越靠近协调节点的路由节点转发负载越大，整个网络节点的能耗不均匀。Zigbee网络的树型路由算法中，节点不需要进行路由发现，只需根据父子关系进行数据的转发，能够避免网络环路和控制路由开销。但是也存在弊端，节点只能沿着树型结构进行通信，当某个树干发生拥塞时只能进行等待或放弃传输，从而带来数据传输的延时和丢包；此外，较大负载的树干拥有很大的数据流通量，而负载较轻的树干却长时间处于空闲状态，这样造成了能量消耗的不均衡，降低了网络的生命周期。

AODVjr算法是针对AODV(Ad hoc按需距离矢量路由协议)算法的改进，基本原理是洪泛路由请求分组RREQ来实现路由查找和记录，利用目的节点对最先到达的RREQ分组做出响应，选择出最优路径。只有目的节点才能发送RREP分组，可避免无效的RREP分组出现和循环问题。考虑到节能、应用方便性等因素，简化了AODV的一些特点，但是仍然保持AODV的原始功能，此算法的优点是路由路径最佳，缺点是AODVjr洪泛的寻找路由方式需要大量的路由开销，可能会造成网络拥塞且没有保护剩余能量低的节点，整体路由代价高。由于AODVjr算法的目的仅仅是追求最短路径而忽略的其他的问题。最小跳数的路径可能信号不好、最小跳数的路径可能十分拥堵、寻找最小跳数的路径消耗了大量的能量、最小跳数的路径集中在靠近中间的节点等，同时在使用AODVjr路由算法寻找路径时，RREQ在大于3跳时会被转发，造成能量的不必要损耗，并且RREQ没有方向的选择，容易造成广播风暴。

ZigBee网络目前采用Cluster-Tree+AODVjr相结合的算法,该算法结合了Cluster-Tree和AODVjr两种路由算法的优点，它把网络中的节点细分为4类，分别是Coordinator、RN+、RN-、RFD；其中，Coordinator RN+、RN-都是全功能节点，但前两者具有路由发现和消息转发功能，在转发消息时启动AODVjr算法主动查找最佳路径；RN-有路由发现功能，在转发数据时启动Cluster-Tree算法并通过自身的计算能力作出判断，将消息转发给父节点或者其中一个子节点；RFD是精简功能设备，只能充当叶子节点，即只能将消息传送给父节点，请其转发。

3.节点过早死亡问题

Zigbee网络中节点的能量供应采用电池形式，在能量耗尽后无法更换电池既成为死亡节点，不能继续承担收发数据的功能，导致路由链的断裂，甚至割裂WSN网络，致使通信中断。在Zigbee网络中如何对节点电池能量有效利用是提高网络整体性能的关键所在，故对节点能量设置阈值是一种必要。

4.传输时延问题

在Zigbee网络中，跳数的增加会带来多跳网络端到端时延的增加，必然造成数据包传输的时延加大，同时网络吞吐量也随之急剧降低。网络的规模和网络的拓扑结构对数据包的传输样式起到决定性的影响，进而决定了数据包延迟的大小。而传输的及时性是网络所必需的。

发明内容

针对Zigbee网络多路径选择中存在的节点过早死亡、丢包率过高和最短路径排队时间过长等问题，本申请提供了一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，该方法提高了网络传输效率，增强网络的鲁棒性。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，将数据从源节点通过网络分组转发到目的节点，并确保源节点到目的节点的通信路径最优；具体包括如下步骤：

S1:源节点A收到数据传输指令，目的节点为D；

S2:根据业务需求，确认业务属性；

S3:根据Zigbee网络对不同业务属性建立模型；

S4:基于业务属性计算权值；

S5:筛选可行通信路径集合V；

S6:判断理想通信路径V^*是否存在，如果存在求解结束；如果不存在，利用欧氏距离找出最接近理想通信路径的V_i，作为下一个通信路径；

S7:根据Zigbee网络不同的业务需求，选择不同的通信路径。

进一步的，Zigbee网络的业务需求，包括指令类、语音类及图像类业务；本申请选择路径时延、剩余节点能量和分组丢包率作为该网络的特征属性。

进一步的，对三种不同Zigbee网络的特征属性，分别建立节点能量阈值模型、时延模型及分组丢包率模型。

进一步的，路径时延：数据路由中单跳通信的时间延迟为T_hop＝T_t+T_pc；如果数据路由需要h跳，那么该路由过程中的总延时表示为：

T_Total＝h(T_t+T_pc)

其中T_t为发送时间，T_pc为预处理时间。

进一步的，剩余节点能量，公式如下：

其中，EN_i为节点i的能量阈值，α为权值，E_i为节点的初始能量值，d_i为当前节点所在深度，β为d_i的幂次数，一般取值2-4，λ为校正因子。

进一步的，分组丢包率，公式如下：

w(e)表示了链路的某个QoS指标值。

更进一步的，把n个属性的相对重要性记为α_pq，并认为它就是属性p的权w_p和属性q的权w_q之比的近似值，n个特征对比的结果形成矩阵A：

基于业务特征的权重是指把第1个属性剩余节点能量的权w₁和第2个属性可传输路径时延的权w₂之比记为α₁₂，第2个属性剩余节点能量的权w₂和第3个属性分组丢包率的权w₃之比记为α₂₃，以此类推，构成决策矩阵；则

(A-nI)w＝0

其中，I是单位矩阵，若矩阵A中的值估计准确，上式严格等于0，若估计不够准确，则A中的元素的小的摄动代表本征值的小的摄动，于是有：

Aw＝λ_maxw

其中，λ_max是矩阵A的最大本征值，进而可得本征向量即权重向量w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T。

更进一步的，在路由选择的开始阶段，首先根据Zigbee网络的拓扑结构，针对不同的业务分类计算权值系数，对可行通信路径V＝[v₁,v₂,v₃,…,v_p]运用优选法对链路集合进行筛选，淘汰处于劣势的通信路径方案，得到筛选后的路径集合V'＝[v₁,v₂,v₃,…,v_q]，q≤p，在路由过程中，对可行路径进行针对不同业务的矩阵评估，然后求出理想路径，在路径集中找出最接近理想的通信路径。

作为更进一步的，实际通信路径性能与理想通信路径的差异是指2条路径属性向量的加权欧氏距离；设实际通信路径和理想通信路径的性能分别用n维向量v_i＝(v_i1,v_i2,...,v_in)和v^*＝(v₁ ^*,v₂ ^*,...,v_n ^*)表示，则它们之间的距离为：

其中，w₁,w₂,...,w_n即为n个目标函数的权值，满足

作为更进一步的，根据Zigbee网络不同的业务需求，选择不同的通信路径：

A：指令类业务：在保证路径节点能量足够的前提下，指令类业务最优路径既要低延时，又要保证分组丢包率；

B：语音、图像类业务：在保证路径节点能量足够的前提下，语音、图像类业务最优路径需要较低延时，分组丢包率可有较低的处理优先级。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本发明针对Zigbee网络多路径选择中存在的节点过早死亡、丢包率过高和最短路径排队时间过长等问题，将业务需求QOS引入Zigbee网络中，设定剩余节点能量、路径时延等不同的业务需求，对每个业务属性赋予权值，计算通信路径V与理想路径V^*的欧氏距离，得到数据传输得到最优路径。该方法能够均衡节点能耗的前提下，降低传输时延，减少路径拥塞程度，延长节点的生存时间，提高网络传输效率，增强网络的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的ZigBee网络拓扑结构；

图2为本发明实施例提供的基于Zigbee的路由最优路径选取方法算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。QoS(Quality of Service)指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。对不同的业务应用不同的服务质量要求，对实时性强，且重要的数据报文优先处理，对实时性步枪的普通数据报文，提供较低的处理优先级，网络拥塞时甚至丢弃。

本实施例公开了一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，具体为：

(1)源节点A收到数据传输指令，目的节点为D。具有路由功能的源节点要发送数据到网络中的其他节点，若源节点的路由表中没有到目的节点的路由表项，则启动路由发现过程，找到源节点到目的节点的所有路径；

(2)根据业务需求，确认业务属性。Zigbee网络的业务需求主要分为指令类、语音类及图像类业务。考虑Zigbee网络的特性，本文选择路径时延、剩余节点能量和分组丢包率作为该网络的特征属性。并根据Zigbee网络对不同属性选择模型。

①路径时延。Zigbee网络中节点接收到每个数据包产生的总延时可以表示为T_c+T_t+T_pc+T_p，一般将T_p和T_c忽略。因此数据路由中单跳通信的时间延迟为T_hop＝T_t+T_pc。如果数据路由需要h跳，那么该路由过程中的总延时表示为：

T_Total＝h(T_t+T_pc)

其中T_c为接收时延，其中T_t为发送时间，其中T_pc为预处理时间，其中T_p为排队时间。

②剩余节点能量。考虑剩余节点能量业务建立能量阈值模型，在进行最优路由选择前进行剩余能量的估算。经分析，节点的能量与时间的关系成正相关，所以对能量阈值进行设置，公式如下：

其中，EN_i为节点i的能量阈值，α为权值，E_i为节点的初始能量值，d_i为当前节点所在深度，β为d_i的幂次数，一般取值2-4，λ为校正因子。

③分组丢包率。常用的网络通信链路和路径的基本QoS指标有贷款、时延抖动、分组丢包率等，他们度量的特征分为凹性参数、可加性参数和可乘性参数。为了便于描述，w(e)表示了链路的某个QoS指标值，w(p)表示路径的相应某个QoS指标值。用下面公式描述分组丢包率：

(3)基于业务属性的权值计算。

本申请运用本征向量法，解决各特征之间矛盾性的关键在于权值系数的确定。把n个属性的相对重要性记为α_pq，并认为它就是属性p的权w_p和属性q的权w_q之比的近似值，n个特征对比的结果形成矩阵A；

定义1基于业务特征的权重是指把第1个属性剩余节点能量的权w₁和第2个属性可传输路径时延的权w₂之比记为α₁₂，第2个属性剩余节点能量的权w₂和第3个属性分组丢包率的权w₃之比记为α₂₃，以此类推，构成决策矩阵。则

(A-nI)w＝0

其中，I是单位矩阵，若矩阵A中的值估计准确，上式严格等于0，若估计不够准确，则A中的元素的小的摄动代表本征值的小的摄动，于是有

Aw＝λ_maxw

其中，λ_max是矩阵A的最大本征值。可以根据该式求得本征向量即权重向量w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T。

与最小二乘法相同，使用这种方法同样需要求得矩阵A，为了便于比较第i个特征对第j个特征的相对重要性，即给出a_ij的值，Saaty根据一般人的认知习惯和判断能力给出了属性间对重要性等级表，利用该表取a_ij的值，方法粗略，仍具有一定实用价值。

表1特征重要性判断矩阵A中元素的取值

为了判定矩阵A在此方法中的科学性，引入一致性比率(CR，consistence rate)的概念，它用一致性指标(CI，Consistence index)与随机指标(RI，random index)的比值来表示，可以用来判定矩阵A是否被接收。其中，对于阶数为n的矩阵对应的RI值如表2所示。

表2阶数为n得矩阵对应得RI值

若CR>0.1，说明各元素α_pq的估计一致性太差，应重新估计，若CR<0.1，可认为α_pq的估计基本一致，可用Aw＝λ_maxw求得w。

(4)筛选可行通信路径集合V。

在路由选择的开始阶段，首先根据Zigbee网络的拓扑结构，针对不同的业务分类计算权值系数，对可行通信路径V＝[v₁,v₂,v₃,…,v_p]运用优选法对链路集合进行筛选，淘汰一些处于劣势的通信路径方案，得到筛选后的路径集合V'＝[v₁,v₂,v₃,…,v_q]，q≤p，在路由过程中，对可行路径进行针对不同业务的矩阵评估，然后求出理想路径，在路径集中找出最接近理想的通信路径从而得到问题的最优解。

(5)判断理想通信路径V^*是否存在，如果存在求解结束。不同的业务需求有不同的理想通信路径。

(6)如果理想通信路径V^*不存在，利用欧氏距离找出最接近理想通信路径的V_i，作为下一个通信路径。

实际通信路径性能与理想通信路径的差异是指2条路径属性向量的加权欧氏距离。设实际通信路径和理想通信路径的性能分别用n维向量v_i＝(v_i1,v_i2,...,v_in)和v^*＝(v₁ ^*,v₂ ^*,...,v_n ^*)表示，则它们之间的差距为：

其中，w₁,w₂,...,w_n即为n个目标函数的权值，满足

(7)根据Zigbee网络不同的业务需求，选择不同的最优通信路径。

A：指令类类业务。在必须保证路径节点能量足够的前提下，指令类业务最优路径既要追求低延时，又要保证分组丢包率。

B：语音、图像类业务。在必须保证路径节点能量足够的前提下，语音、视频类业务最优路径需要较低延时，分组丢包率可以有较低的处理优先级。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1:源节点A收到数据传输指令，目的节点为D；具有路由功能的源节点要发送数据到网络中的其他节点，若源节点的路由表中没有到目的节点的路由表项，则启动路由发现过程，找到源节点到目的节点的所有路径；

S2:根据业务需求，确认业务属性；

S3:根据Zigbee网络对不同业务属性建立模型；

S4:基于业务属性计算权值；

S5:筛选可行通信路径集合V；

S6:判断理想通信路径V^*是否存在，如果存在，求解结束；如果不存在，利用欧氏距离找出最接近理想通信路径的V_i，作为下一个通信路径；

S7:根据Zigbee网络不同的业务需求，选择不同的通信路径；

Zigbee网络的业务需求，包括指令类、语音类及图像类业务；选择路径时延、剩余节点能量和分组丢包率作为该网络的特征属性；对三种不同Zigbee网络的特征属性，分别建立节点能量阈值模型、时延模型及分组丢包率模型；

把n个属性的相对重要性记为α_pq，并认为它就是属性p的权w_p和属性q的权w_q之比的近似值，n个特征对比的结果形成矩阵A：

基于业务属性的权重是指把第1个属性剩余节点能量的权w₁和第2个属性可传输路径时延的权w₂之比记为α₁₂，第2个属性剩余节点能量的权w₂和第3个属性分组丢包率的权w₃之比记为α₂₃，以此类推，构成决策矩阵；则

(A-nI)w＝0

其中，I是单位矩阵，若矩阵A中的值估计准确，上式等于0，若估计不够准确，则A中的元素的摄动代表本征值的摄动，于是有：

Aw＝λ_maxw

其中，λ_max是矩阵A的最大本征值，进而可得本征向量即权重向量w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T；

在路由选择的开始阶段，首先根据Zigbee网络的拓扑结构，针对不同的业务需求计算权值，对可行通信路径V＝[v₁,v₂,v₃,…,v_p]运用优选法对链路集合进行筛选，淘汰处于与理想路径权值欧氏距离大于阈值的通信路径方案，得到筛选后的路径集合V'＝[v₁,v₂,v₃,…,v_q]，q≤p，在路由过程中，对可行通信路径进行针对不同业务的矩阵评估，然后求出理想路径，在路径集中找出最接近理想的通信路径；

实际通信路径性能与理想通信路径的差异是指2条路径属性向量的加权欧氏距离；设实际通信路径和理想通信路径的性能分别用n维向量v_i＝(v_i1,v_i2,...,v_in)和v^*＝(v₁ ^*,v₂ ^*,...,v_n ^*)表示，则它们之间的距离为：

其中，w₁,w₂,...,w_n即为n个属性的权值，满足

2.根据权利要求1所述一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，其特征在于，路径时延：数据路由中单跳通信的时间延迟为T_hop＝T_t+T_pc；如果数据路由需要h跳，那么该路由过程中的总延时表示为：

T_Total＝h(T_t+T_pc)

其中T_t为发送时间，T_pc为预处理时间。

3.根据权利要求1所述一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，其特征在于，剩余节点能量，公式如下：

其中，α为权值，E_i为节点的初始能量值，d_i为当前节点所在深度，β为d_i的幂次数，λ为校正因子。

4.根据权利要求1所述一种基于Zigbee的路由最优路径选取方法，其特征在于，分组丢包率，公式如下：

w(e)表示了通信路径的QoS指标值。