ZigBee技术网络层的路由算法分析

1、ZigBee技术网络层的路由算法分析摘要基于IEEE802.15.4标准的ZigBee网络是一种具有强大组网才能的新型无线个域网，其中的路由算法是研发工作的重点。本文介绍了IEEE802.15.4标准及ZigBee标准的协议模型，重点研究了ZigBee协议网络层的路由算法，分析了Tree路由及Z-ADV路由算法，在此根底上提出了ZigBee网格型网络中基于数据特性的路由选择机制，该机制在网络性能和低功耗方面有明显的优势，并且可以平衡节点能量，最后简单介绍了ZigBee节点的硬件实现。关键词ZigBee协议；网络；IEEE802.15.4；路由算法；Tree路由；Z-ADV路由1概述ZigBee

2、技术是由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2002年10月共同提出设计研究开发的具有低本钱、体积孝能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。2000年12月，IEEE802无线个域网PAN，irelessPersnalAreaNetrk小组成立，致力于PAN无线传输协议的建立。2022年12月，IEEE正式发布了该技术物理层和A层所采用的标准协议，即IEEE802.15.4协议标准，作为ZigBee技术的网络层和媒体接入层的标准协议。2022年12月，ZigBee联盟在IEEE802.15.4定义的物理层PHY和媒体接入层A的根底上定义了网络层和应用

3、层，正式发布了基于IEEE802.15.4的ZigBee标准协议。2网络层的研究ZigBee技术的体系构造主要由物理层PHY、媒体接入层A、网络/平安层以及应用框架层组成，各层之间的分布如图1所示。图1ZigBee技术协议组成PHY层的特征是启动和关闭无线收发器、能量检测、链路质量、信道选择、去除信道评估A以及通过物理媒体对数据包进展发送和接收。A层可以实现信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认症发送连接及断开连接恳求，还为应用适宜的平安机制提供一些方法。它包含具有时间同步信标的可选超帧构造，采用免碰撞的载波侦听多址访问SA-A。平安层主要实现密钥管理、存取等功能。网络层主要用于ZigBee的

4、LR-PAN网的组网连接、数据管理等。应用框架层主要负责向用户提供简单的应用软件接口API，包括应用子层支持APSAppliatinSub-layerSupprt、ZigBee设备对象ZDZigBeeDeviebjet等，实现应用层对设备的管理，为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术的开发应用。网络层的定义包括网络拓扑、网络建立、网络维护、路由及路由的维护。2.1ZigBee的网络拓扑构造ZigBee定义了三种拓扑构造：星型拓扑构造Star，主要为一个节点与多个节点的简单通信设计；树型拓扑构造Tree，使用分等级的树型路由机制；网格型拓扑构造esh，将Z-A

5、DV和分等级的树型Tree路由相结合的混合路由方法。三种拓扑构造如图2所示。图2网络的三种拓扑构造ZigBee定义了三种设备类型：ZigBee协调器ZigBeerdinatr，Z，用于初始化网络信息，每个网络只有一个Z；ZigBee路由器ZigBeeRuter，ZR，它起监视或控制作用，但它也是用跳频方式传递信息的路由器或中继器；ZigBee终端设备ZigBeeEndDevie，ZED，它只有监视或控制功能，不能做路由或中继之用。在IEEE标准中，ZED被称为精简功能设备Redued-FuntinDevie，RFD，Z和ZR被称作全功能设备Full-FuntinDevie，FFD。2.2网络层

6、路由算法的分析网络层支持Tree、Z-ADV、Tree+Z-ADV等多种路由算法。2.2.1ADV路由协议DSDVdestinatin-sequeneddistane-vetr协议是一个基于传统的BellanFrd路由机制的表驱动算法，被认为是最早的无线自组网络路由协议。DSDV在传统的distane-vetr算法的根底上采用了序列号机制，用于区分路由的新旧程度，防止distane-vetr算法可能产生的路由环路。DSDV采用时间驱动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个挪动节点在本地都保存一张路由表，其中包括所有有效目的节点、路由跳数、目的节点路由序列号等信息，目的节点路由序列号用于区别有效

7、和过期的路由信息以防止环路的产生。DSRdynaisureruting协议是最早采用按需路由思想的路由协议，包括路由发现和维护两个过程。它的主要特点是使用了源路由机制进展数据包转发。ADV(ad-hn-deanddistanevetr)协议在DSDV协议的逐跳路由、序列号、定期播送机制根底上，参加了DSR的按需路由发现和维护机制。ADV在每个中间节点隐式保存了路由恳求和应答的结果，并利用扩展环搜索expandingringresearh的方法限制搜索发现目的节点的范围。ADV支持组播功能，支持QS，而且ADV使用IP地址，便于同Internet连接。但ADV基于双向信道的假设，路由应答数据包直

8、接沿着路由恳求的反方向回溯到源节点，因此不支持单向信道。与DSDV保存完好的路由表不同的是，ADV通过建立按需路由来减少路由播送的次数，这是ADV对DSDV的重要改良。与DSR相比，ADV的好处在于源路由并不需要包括在每一个数据包中，这样会降低路由协议的开销。ADV是一个纯粹的按需路由协议，那些不在途径内的节点不保存路由信息，也不参与路由表的交换。2.2.2Z-ADV能量平衡路由在ZigBee路由标准中没有过多的考虑能量控制，但是对于adh无线网络来说，能量控制非常重要。因此提出了能量控制策略来改良ZigBee路由。它将使节点防止用尽所有能量以致于过早的失去作用。当节点想要选择途径时，它将考虑

9、途径上的节点的剩余能量。Z-ADV算法是针对ADVAdh按需间隔 矢量路由协议算法的改良，ADV是基于序列号的路由，它总是选择最新的路由。Z-ADV是基于途径的能量消耗的路由，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了ADV的一些特点，但仍保持ADV的原始功能。在路由选择和路由维护时，ZigBee的路由算法使用了路由本钱的度量方法来比拟路由的好坏。假定一个长度为L的路由P，那么它的路由本钱为：为：其中，表示从节点Di到节点Di+1的链路本钱。对于链路l，链路本钱可按照下面的表达式计算：其中，pl为链路l中发送数据包的概率。在ZigBee标准中没有涉及到pl的详细计算方法。pl可通过实际计算收到的信标

10、和数据帧来进展估计，即通过观察帧的响应序列号来检测丧失的帧，这就通常被认为最准确地测量接收概率的方法。但是，对于所有的方法来说，最直接和有效的方法就是基于IEEE802.15.4的A层和PHY层所提供的每一帧的LQI通过平均所计算的值。即使使用其他方法，最初的本钱估计值也是基于平均的LQI值。可以根据驱动函数表来映射平均LQI值与l值的关系见表1。表1LQI值与链路本钱的关系能量平衡运算要考虑许多因素来选择路由。这些因素包括临近节点的能量、节点自身的能量和链路质量。剩余能量Elal可以在每一个ZigBee帧中的保存域发送，这样每个节点都能得到它的邻居节点最新的能量分配E1，E2En。2.2.3

11、树型Tree路由树型路由机制包括配置树型地址和树型地址的路由。当协调器建立一个新的网络，它将给自己分配网络地址0，网络深度Depth0=0。假如节点i想要参加网络，并且与节点k连接，那么节点k将称为节点i的父节点。根据自身的地址Ak和网络深度Depthk，节点k将为节点i分配网络地址Ai和网络深度Depthi=Depthk+1。网络深度表示仅仅采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到ZigBee协调器所传递的最小跳数。ZigBee协调器自身深度为0，而它的子设备深度为1。图3为ZigBee树型构造。参数nkaxhildren()表示路由器或协调器在网络中允许拥有子设备数量的最大值。参数nkaxR

12、uters(R)表示子节点中路由器的最大个数，而剩下的设备数为终端设备数。图3ZigBee树型构造一个新的RFD节点i，它没有路由才能，它与协调器连接作为协调器的第n个子节点。根据它的深度d，父节点k将为子节点i分配网络地址：Ai=Ak+skipdR+n其中1n-R假如是新的子节点FFD，它有路由才能，父节点k将给它分配网络地址：Ai=Ak+1+skipdn-1其中，否那么，参数nkaxDepth(L)表示网络的最大深度。假设一个路由器向网络地址为D的目的地址发送数据包，路由器的网络地址为A，网络深度为d。路由器将首先通过表达式：ADA+skip(d-1)判断该目的节点是否为自己的子节点。假如

13、目的节点是自己的子节点，那么下一跳节点的地址为：否那么，下一跳节点是该路由器的父节点。2.2.4Tree+Z-ADV路由算法的分析根据上文对Tree和Z-ADV两种路由算法的分析，在我们的ZigBee网络中将二者结合，使用Z-ADV和分等级的树型Tree路由相结合的混合路由方法，构成网格型拓扑构造esh的网络。详细实现方法是在数据帧帧头的DisverRuter域指定路由。该域可以是如下三种值：抑制路由发现：它使用已经存在的路由表。当路由表中没有相应的目的节点的地址时，参数nkUseTreeRuting的值为TRUE，网络将使用树型路由。使能路由发现：假如在路由表中有路由地址，将按照该路由表进展

14、路由。否那么，路由器将使用Z-ADV路由算法初始路由发现。假如该节点没有初始路由发现的才能，它将使用树型路由。强迫路由发现：不管是否有相应的路由表，节点都强迫使用Z-ADV路由算法初始化路由发现。在ZigBee标准中提出了将ADV和Tree路由混合的路由机制。但在ZigBee标准中并没有说明如何配置参数来选择路由策略，没有使两者平衡的设计方法。根据上面Tree路由和Z-ADV的分析，我们提出了基于数据特性的路由方法，即在两种路由算法构成的网格型网络中，根据节点间传输数据特性的不同，通过设置数据帧帧头的DisverRuter域，选择不同的路由方法。对于捆绑型的连续数据，ZigBee应用层应选择使

15、用使能路由的方法。即采用Z-ADV路由首先建立路由发现，然后选择跳数少的路由，成为最正确途径；对于爆发型的不连续数据那么使用抑制路由发现的方法，即在路由表中没有响应的目的节点的地址时，采用Tree路由方法。因为这种路由不需要建立路由表，因此对传输的数据响应较快。图4为节点接收到上层或其他节点发送的数据包时，网络层处理程序的流程图。图4路由算法流程图2.3总结Tree路由是一种由网络协调器展开生成树状网络的拓扑构造，合适于节点静止或者挪动较少的场合，属于静态路由，不需要存储路由表。树型路由对传输数据包的响应较快，因为树型路由不需要建立路由表。其缺点是所选择的路由并非是最正确的路由，不能获得最小路

16、由。树型路由适用于爆发型的数据传输。Z-ADV需要首先建立路由发现，然后选择跳数少的路由，成为最正确途径。Z-ADV适用于连续的数据传输。在ZigBee标准中，设计了Z-ADV和Tree路由混合的路由策略，这里我们提出了基于数据效劳的ZigBee路由选择策略。根据上述分析可以看出，这种路由选择机制在网络性能和低功耗方面有明显的优势；并且根据能量控制机制，可以有效地平衡节点能量，防止节点耗尽能量而过早地失去作用。3ZigBee模块硬件设计模块集无线收发器、微处理器、存储器和用户API等软硬件于一体，可实现1.0版ZigBee协议栈的功能。图5ZigBee模块框图图5是模块的硬件框图，射频芯片采用hipn公司消费的符合IEEE802.15.4标准的模块2420；控制射频芯片的微处理器可以根据需要选择Atel公司的AVR系列单片机或者SilinLabs公司的8051内核单片机。单片机与射频芯片之间通过SPI通信。单片机与外部设备之间通过串口通信，单片机自带假设干AD或者温度传感器，可以实现简单的模数转换或者温度监控。为了方便代码移植到不同的硬件平台，模块固件采用标准语言编写代码实现。参考文献1蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用.北京：北京邮电