基于能量均衡的ZigBee路由优化算法

作者:朱尚聪;吕红芳;吉书瑶 刊名:微电子学与计算机 上传者:李德菊

【摘要】针对ZigBee现有路由协议存在节点能耗不均、易造成网络分割死亡的问题,提出了一种能量均衡的ZigBee路由算法,该算法对ZBR路由算法进行改进.改进后的算法考虑了对低能量节点的保护,控制了RREQ分组传递方向,减少数据泛洪,同时在路由发现时建立了多条路径,若主路径发送失败,即可直接切换到备用路径,降低延时同时减少能耗.仿真表明,改进后的路由算法能减少网络总体能耗,平衡节点能量,最大化网络寿命.

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1 引言目前,随着物联网技术的发展,ZigBee网络作为其中低成本、低功耗、容量大、可靠性高的无线通信技术,也得到了广泛的推广.而ZigBee节点能量有限,因此ZigBee路由优化的重点就是平衡节点能量,最大化网络寿命.文献[1-4]在ZigBee簇树协议的基础上引入了邻居表,同时对节点能量进行分级,以在均衡节点能量的同时减少不必要的能耗;文献[5-7]对AODVjr协议进行优化,减少了RREQ数据的传递,也减少了能耗;文献[8]通过对节点进行分簇,使节点在簇内使用簇树算法,在簇间使用AODVjr算法,控制RREQ分组传递方向,降低能量消耗;文献[9]考虑整个网络能量消耗,同时定义节点权值,建立分簇机制,避免了不必要能量消耗和死亡.本文在ZBR路由的基础上加以优化,减少不必要的路由消耗,同时建立多条路径,方便主路径故障时切换,避免了寻路时多余的能量消耗.2 ZigBee网络描述ZigBee网络共有三种的网络拓扑结构,见图1.在星型结构中,节点可以直接与中心节点通讯,数据传输到达中心节点的速度很快,但是星型网络的覆盖范围很小;网状结构中源节点的数据可以有多条数据传输到目的节点中,网络可覆盖的范围也 (a)星型网络 (b)网状网络 (c)树状网络图1 ZigBee网络的三种拓扑结构较大;树状结构可以采用簇树路由的方式,适合节点多的网络,有很好的扩展性.2.1 ZigBee网络的地址分配机制ZigBee节点可分为全功能设备(Full Function-al Device)和精简功能设备(Reduced Function De-vice).其详细的结构和功能分类可见文献[10].ZigBee网络采用的是节点地址预先分配的方法,整个网络由中心节点负责构建,整个网络的地址分配是由网络构建参数决定,当有节点申请要进入网络时,该节点必须和网络中的FFD形成通讯,若该FFD在网络参数允许范围内可以接受其为子节点,此时这两个节点就关联了父子关系,此时,父节点就会给子节点网络中一个独一无二的16位网络地址,同时向子节点发出关联消息,子节点收到这条关联消息后,节点即进入了网络.假定参数:Cm为父节点所允许最多的可关联的子节点数,Rm为可关联子节点数的最多路由节点数,Lm为网络允许的最大的深度,则可根据公式确定网络深度为d的父节点可分配子节点之间的偏移量Cskip(d)为Cskip(d)=1+Cm×(Lm-d-1)Rm=11+Cm-Rm-Cm×RLm-d-1m1-Rm烅烄烆otherwise(1)若RFD节点通过网络地址为Ap的父节点加入网络,则父节点为第k个加入网络的新节点分配的网络地址A为Ak=Ap+Cskip(d)*Rm+k1≤k≤(Cm-Rm)(2)若FFD节点通过网络地址为Ap的父节点加入网络,则父节点为第n个加入新节点分配的网络地址为An=Ap+Cskip(d)*(n-1)+1(3)若网络中有节点想要脱离这个网络,那么节点要向自己的父节点发送脱离网络的请求,在收到父节点的解除应答后,节点即已成功脱离了网络,若发出脱离网络请求的节点有子节点,则该节点需先与自身的子节点解除关联,再与网络解除关联.2.2 簇树路由算法在该算法中,节点是依据目的节点的网络地址决定下一跳传输的节点,数据只能在父子之间传播.若网络地址为A,深度为d的FFD节点要将数据传输给网络地址为D的目的节点,则该FFD节点首先判断目的节点是不是自己的后代节点:A<D<A+Cskip(d-1)(4)若满足式(4),那么表明目的节点是源节点的后裔节点,则节点将数据转发给他的子节点N,根据式(5)最终将

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