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摘要基于IEEE802.15.4標準的zigbee網絡是一種具有強大組網能力的新型無線個域網，其中的路由算法是研發(fā)工作的重點。本文介紹了IEEE802.15.4標準及ZigBee規(guī)范的協(xié)議模型，重點研究了ZigBee協(xié)議網絡層的路由算法，分析了Tree路由及Z-AODV路由算法，在此基礎上提出了ZigBee網格型網絡中基于數(shù)據(jù)特性的路由選擇機制，該機制在網絡性能和低功耗方面有明顯的優(yōu)勢，并且可以平衡節(jié)點能量，最后簡單介紹了ZigBee節(jié)點的硬件實現(xiàn)。

關鍵詞ZigBee協(xié)議；網絡；IEEE802.15.4；路由算法；Tree路由；Z-AODV路由

1概述

ZigBee技術是由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司在2002年10月共同提出設計研究開發(fā)的具有低成本、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術。

2000年12月，IEEE802無線個域網（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）小組成立，致力于WPAN無線傳輸協(xié)議的建立。2003年12月，IEEE正式了該技術物理層和MAC層所采用的標準協(xié)議，即IEEE802.15.4協(xié)議標準，作為ZigBee技術的網絡層和媒體接入層的標準協(xié)議。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體接入層（MAC）的基礎上定義了網絡層和應用層，正式了基于IEEE802.15.4的ZigBee標準協(xié)議。

2網絡層的研究

ZigBee技術的體系結構主要由物理層（PHY）、媒體接入層（MAC）、網絡/安全層以及應用框架層組成，各層之間的分布如圖1所示。

圖1ZigBee技術協(xié)議組成

PHY層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器、能量檢測、鏈路質量、信道選擇、清除信道評估（CCA）以及通過物理媒體對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。MAC層可以實現(xiàn)信標管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送確認幀、發(fā)送連接及斷開連接請求，還為應用合適的安全機制提供一些方法。它包含具有時間同步信標的可選超幀結構，采用免碰撞的載波偵聽多址訪問（CSMA-CA）。安全層主要實現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。網絡層主要用于ZigBee的LR-WPAN網的組網連接、數(shù)據(jù)管理等。應用框架層主要負責向用戶提供簡單的應用軟件接口（API），包括應用子層支持APS（ApplicationSub-layerSupport）、ZigBee設備對象ZDO（ZigBeeDeviceObject）等，實現(xiàn)應用層對設備的管理，為ZigBee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對ZigBee技術的開發(fā)應用。

網絡層的定義包括網絡拓撲、網絡建立、網絡維護、路由及路由的維護。

2.1ZigBee的網絡拓撲結構

ZigBee定義了三種拓撲結構：星型拓撲結構（Star），主要為一個節(jié)點與多個節(jié)點的簡單通信設計；樹型拓撲結構（Tree），使用分等級的樹型路由機制；網格型拓撲結構（Mesh），將Z-AODV和分等級的樹型（Tree）路由相結合的混合路由方法。三種拓撲結構如圖2所示。

圖2網絡的三種拓撲結構

ZigBee定義了三種設備類型：ZigBee協(xié)調器（ZigBeeCoordinator，ZC），用于初始化網絡信息，每個網絡只有一個ZC；ZigBee路由器（ZigBeeRouter，ZR），它起監(jiān)視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器；ZigBee終端設備（ZigBeeEndDevice，ZED），它只有監(jiān)視或控制功能，不能做路由或中繼之用。

在IEEE標準中，ZED被稱為精簡功能設備（Reduced-FunctionDevice，RFD），ZC和ZR被稱作全功能設備（Full-FunctionDevice，F(xiàn)FD）。

2.2網絡層路由算法的分析

網絡層支持Tree、Z-AODV、Tree+Z-AODV等多種路由算法。

2.2.1AODV路由協(xié)議

DSDV（destination-sequenceddistance-vector）協(xié)議是一個基于傳統(tǒng)的BellmanFord路由機制的表驅動算法，被認為是最早的無線自組網絡路由協(xié)議。DSDV在傳統(tǒng)的distance-vector算法的基礎上采用了序列號機制，用于區(qū)分路由的新舊程度，防止distance-vector算法可能產生的路由環(huán)路。DSDV采用時間驅動和事件驅動技術控制路由表的傳送，即每個移動節(jié)點在本地都保留一張路由表，其中包括所有有效目的節(jié)點、路由跳數(shù)、目的節(jié)點路由序列號等信息，目的節(jié)點路由序列號用于區(qū)別有效和過期的路由信息以避免環(huán)路的產生。

DSR（dynamicsourcerouting）協(xié)議是最早采用按需路由思想的路由協(xié)議，包括路由發(fā)現(xiàn)和維護兩個過程。它的主要特點是使用了源路由機制進行數(shù)據(jù)包轉發(fā)。

AODV(ad-hocon-demanddistancevector)協(xié)議在DSDV協(xié)議的逐跳路由、序列號、定期廣播機制基礎上，加入了DSR的按需路由發(fā)現(xiàn)和維護機制。

AODV在每個中間節(jié)點隱式保存了路由請求和應答的結果，并利用擴展環(huán)搜索（expandingringresearch）的辦法限制搜索發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點的范圍。AODV支持組播功能，支持QoS，而且AODV使用IP地址，便于同Internet連接。但AODV基于雙向信道的假設，路由應答數(shù)據(jù)包直接沿著路由請求的反方向回溯到源節(jié)點，因而不支持單向信道。與DSDV保存完整的路由表不同的是，AODV通過建立按需路由來減少路由廣播的次數(shù)，這是AODV對DSDV的重要改進。與DSR相比，AODV的好處在于源路由并不需要包括在每一個數(shù)據(jù)包中，這樣會降低路由協(xié)議的開銷。AODV是一個純粹的按需路由協(xié)議，那些不在路徑內的節(jié)點不保存路由信息，也不參與路由表的交換。

2.2.2Z-AODV能量平衡路由

在ZigBee路由規(guī)范中沒有過多的考慮能量控制，但是對于adhoc無線網絡來說，能量控制非常重要。因此提出了能量控制策略來改進ZigBee路由。它將使節(jié)點避免用盡所有能量以至于過早的失去作用。當節(jié)點想要選擇路徑時，它將考慮路徑上的節(jié)點的剩余能量。

Z-AODV算法是針對AODV（Adhoc按需距離矢量路由協(xié)議）算法的改進，AODV是基于序列號的路由，它總是選擇最新的路由。Z-AODV是基于路徑的能量消耗的路由，考慮到節(jié)能、應用方便性等因素，簡化了AODV的一些特點，但仍保持AODV的原始功能。

在路由選擇和路由維護時，ZigBee的路由算法使用了路由成本的度量方法來比較路由的好壞。假定一個長度為L的路由P，則它的路由成本為：為：

其中，表示從節(jié)點Di到節(jié)點Di+1的鏈路成本。對于鏈路l，鏈路成本可按照下面的表達式計算：

其中，pl為鏈路l中發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率。

在ZigBee規(guī)范中沒有涉及到pl的具體計算方法。pl可通過實際計算收到的信標和數(shù)據(jù)幀來進行估計，即通過觀察幀的響應序列號來檢測丟失的幀，這就通常被認為最準確地測量接收概率的方法。但是，對于所有的方法來說，最直接和有效的方法就是基于IEEE802.15.4的MAC層和PHY層所提供的每一幀的LQI通過平均所計算的值。即使使用其他方法，最初的成本估計值也是基于平均的LQI值。可以根據(jù)驅動函數(shù)表來映射平均LQI值與C﹛l﹜值的關系（見表1）。

表1LQI值與鏈路成本的關系

能量平衡運算要考慮許多因素來選擇路由。這些因素包括臨近節(jié)點的能量、節(jié)點自身的能量和鏈路質量。剩余能量Elocal可以在每一個ZigBee幀中的保留域發(fā)送，這樣每個節(jié)點都能得到它的鄰居節(jié)點最新的能量分配﹛E1，E2…En﹜。

2.2.3樹型（Tree）路由

樹型路由機制包括配置樹型地址和樹型地址的路由。當協(xié)調器建立一個新的網絡，它將給自己分配網絡地址0，網絡深度Depth0=0。如果節(jié)點（i）想要加入網絡，并且與節(jié)點（k）連接，那么節(jié)點（k）將稱為節(jié)點（i）的父節(jié)點。根據(jù)自身的地址Ak和網絡深度Depthk，節(jié)點（k）將為節(jié)點（i）分配網

絡地址Ai和網絡深度Depthi=Depthk+1。網絡深度表示僅僅采用父子關系的網絡中，一個傳送幀傳送到ZigBee協(xié)調器所傳遞的最小跳數(shù)。ZigBee協(xié)調器自身深度為0，而它的子設備深度為1。

圖3為ZigBee樹型結構。參數(shù)nwkMaxChildren(Cm)表示路由器或協(xié)調器在網絡中允許擁有子設備數(shù)量的最大值。參數(shù)nwkMaxRouters(Rm)表示子節(jié)點中路由器的最大個數(shù)，而剩下的設備數(shù)為終端設備數(shù)。

圖3ZigBee樹型結構

一個新的RFD節(jié)點（i），它沒有路由能力，它與協(xié)調器連接作為協(xié)調器的第n個子節(jié)點。根據(jù)它的深度d，父節(jié)點（k）將為子節(jié)點（i）分配網絡地址：

Ai=Ak+Cskip（d）·Rm+n其中1≤n≤（Cm-Rm）

如果是新的子節(jié)點FFD，它有路由能力，父節(jié)點（k）將給它分配網絡地址：

Ai=Ak+1+Cskip（d）·（n-1）

其中，

否則，參數(shù)nwkMaxDepth(Lm)表示網絡的最大深度。

假設一個路由器向網絡地址為D的目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器的網絡地址為A，網絡深度為d。路由器將首先通過表達式：

A＜D＜A+Cskip(d-1)

判斷該目的節(jié)點是否為自己的子節(jié)點。如果目的節(jié)點是自己的子節(jié)點，則下一跳節(jié)點的地址為：

否則，下一跳節(jié)點是該路由器的父節(jié)點。

2.2.4Tree+Z-AODV路由算法的分析

根據(jù)上文對Tree和Z-AODV兩種路由算法的分析，在我們的ZigBee網絡中將二者結合，使用Z-AODV和分等級的樹型（Tree）路由相結合的混合路由方法，構成網格型拓撲結構（Mesh）的網絡。

具體實現(xiàn)方法是在數(shù)據(jù)幀幀頭的DiscoverRouter域指定路由。該域可以是如下三種值：

⑴抑制路由發(fā)現(xiàn)：它使用已經存在的路由表。當路由表中沒有相應的目的節(jié)點的地址時，參數(shù)nwkUseTreeRouting的值為TRUE，網絡將使用樹型路由。

⑵使能路由發(fā)現(xiàn)：如果在路由表中有路由地址，將按照該路由表進行路由。否則，路由器將使用Z-AODV路由算法初始路由發(fā)現(xiàn)。如果該節(jié)點沒有初始路由發(fā)現(xiàn)的能力，它將使用樹型路由。

⑶強制路由發(fā)現(xiàn)：不管是否有相應的路由表，節(jié)點都強制使用Z-AODV路由算法初始化路由發(fā)現(xiàn)。

在ZigBee規(guī)范中提出了將AODV和Tree路由混合的路由機制。但在ZigBee規(guī)范中并沒有說明如何配置參數(shù)來選擇路由策略，沒有使兩者平衡的設計方法。根據(jù)上面Tree路由和Z-AODV的分析，我們提出了基于數(shù)據(jù)特性的路由方法，即在兩種路由算法構成的網格型網絡中，根據(jù)節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)特性的不同，通過設置數(shù)據(jù)幀幀頭的DiscoverRouter域，選擇不同的路由方法。對于捆綁型的連續(xù)數(shù)據(jù)，ZigBee應用層應選擇使用使能路由的方法。即采用Z-AODV路由首先建立路由發(fā)現(xiàn)，然后選擇跳數(shù)少的路由，成為最佳路徑；對于爆發(fā)型的不連續(xù)數(shù)據(jù)則使用抑制路由發(fā)現(xiàn)的方法，即在路由表中沒有響應的目的節(jié)點的地址時，采用Tree路由方法。因為這種路由不需要建立路由表，因此對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)響應較快。

圖4為節(jié)點接收到上層或其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，網絡層處理程序的流程圖。

圖4路由算法流程圖

2.3總結

Tree路由是一種由網絡協(xié)調器展開生成樹狀網絡的拓撲結構，適合于節(jié)點靜止或者移動較少的場合，屬于靜態(tài)路由，不需要存儲路由表。樹型路由對傳輸數(shù)據(jù)包的響應較快，因為樹型路由不需要建立路由表。其缺點是所選擇的路由并非是最佳的路由，不能獲得最小路由。樹型路由適用于爆發(fā)型的數(shù)據(jù)傳輸。

Z-AODV需要首先建立路由發(fā)現(xiàn)，然后選擇跳數(shù)少的路由，成為最佳路徑。Z-AODV適用于連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。

在ZigBee規(guī)范中，設計了Z-AODV和Tree路由混合的路由策略，這里我們提出了基于數(shù)據(jù)服務的ZigBee路由選擇策略。根據(jù)上述分析可以看出，這種路由選擇機制在網絡性能和低功耗方面有明顯的優(yōu)勢；并且根據(jù)能量控制機制，可以有效地平衡節(jié)點能量，避免節(jié)點耗盡能量而過早地失去作用。

3ZigBee模塊硬件設計

模塊集無線收發(fā)器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，可實現(xiàn)1.0版ZigBee協(xié)議棧的功能。

圖5ZigBee模塊框圖

圖5是模塊的硬件框圖，射頻芯片采用Chipcon公司生產的符合IEEE802.15.4標準的模塊CC2420；控制射頻芯片的微處理器可以根據(jù)需要選擇Atmel公司的AVR系列單片機或者SiliconLabs公司的8051內核單片機。單片機與射頻芯片之間通過SPI通信。單片機與外部設備之間通過串口通信，單片機自帶若干ADC或者溫度傳感器，可以實現(xiàn)簡單的模數(shù)轉換或者溫度監(jiān)控。為了方便代碼移植到不同的硬件平臺，模塊固件采用標準C語言編寫代碼實現(xiàn)。

參考文獻

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