基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法_钱志鸿
一种基于能量均衡的ZigBee路由算法
一种基于能量均衡的ZigBee路由算法
尚海芹
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2013(026)008
【摘要】针对ZigBee网络的生存周期问题,提出了一种基于簇头关键节点的L-ZBR路由算法.该算法依据网络规模及拓扑结构信息对簇头关键节点设定能量阈值,对能量消耗达到阈值的簇头关键节点动态寻找其子路由节点的代理父节点,通过代理父节点建立辅助路由路径,经由辅助路由路径分担原簇头关键节点数据转发任务.实验结果表明,L-ZBR路由算法在网络生存周期上优于Cluster-Tree算法.
【总页数】4页(P93-95,97)
【作者】尚海芹
【作者单位】中国人民银行邯郸市中心支行,河北邯郸056002
【正文语种】中文
【相关文献】
1.一种以ZigBee协调器为中心的能量均衡路由算法研究 [J], 曾洁琼;陶伟业
2.基于全局能量均衡的ZigBee网络路由算法优化 [J], 何智勇
3.基于能量感知与能量均衡的ZigBee网络树路由算法研究 [J], 何学文;王强;张振利
4.一种改进的ZigBee网络能量均衡簇树路由算法 [J], 李岩;袁安娜;柳培新;郑洁琼;刘精松
5.一种以ZigBee协调器为中心的能量均衡路由算法研究 [J], 曾洁琼;陶伟业
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一种基于能耗均衡的ZigBee网络高效混合路由算法
一种基于能耗均衡的ZigBee网络高效混合路由算法曹建玲;刘文朋;彭双;任智【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2013(000)010【摘要】The existing hybrid routing algorithms for ZigBee networks have high overhead and unbalanced energy consumption in process of searching routes. To solve the problem, EHCA( Efficient Hybrid routing with Cross-layer Auditing ) uses cross-layer auditing manner with neighbor nodes and prefers to employ nodes with larger depth and more residual energy in routing, thus reducing part of RREQ packets forward-ing and achieving balanced energy consumption of nodes. Simulation results show that EHCA outperforms existing hybrid routing algorithm and the tree algorithm in terms of energy balance of nodes, routing over-head, network lifetime, etc.%针对目前ZigBee网络混合路由算法寻找开销偏大、能耗不均的问题,提出一种高效混合路由算法( EHCA)。
通过采用跨层泛听与优先使用深度大、剩余能量多的节点进行路由的方式,减少部分泛洪寻路分组的转发,均衡节点能耗。
基于节点特性的LR-WPAN网络能量优化路由算法
基于节点特性的LR-WPAN网络能量优化路由算法
钱志鸿;张晓帆;王义君;关婷艳
【期刊名称】《通信学报》
【年(卷),期】2010(031)010
【摘要】针对ZigBee网络混合路由算法的不足,考虑低速无线个域网(LR-WPAN)网络的能耗问题,提出了一种基于ZBR路由协议的改进算法(F-ZBR).本算法通过定义最小路由能量值和控制路由请求分组(RREQ)的传输方向、跳数以及在RREQ分组中加入能量标志位等措施,降低网络的整体能耗.仿真结果表明,F-ZBR算法的分组投递率、网络可用节点比率和网络剩余能量都较ZBR有明显提高,从而可以延缓ZigBee网络中大量数据传输造成的RN+节点能量过度损耗而导致的网络瘫痪等问题的发生,延长网络生命周期.
【总页数】6页(P238-243)
【作者】钱志鸿;张晓帆;王义君;关婷艳
【作者单位】吉林大学,通信工程学院,吉林,长春,130025;吉林大学,通信工程学院,吉林,长春,130025;吉林大学,通信工程学院,吉林,长春,130025;吉林大学,通信工程学院,吉林,长春,130025
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.基于能量优化的无线传感器网络分簇路由算法研究 [J], 王海涛;陈艳丽;刘琼;彭浩
2.能量优化的无线传感器网络节点路由算法研究 [J], 赵金铃;马昕桐
3.基于节点能量优化的ZigBee网络路由算法改进 [J], 窦文博;王卫东
4.基于能量优化的无线传感器网络任播路由算法 [J], 周文祥;乔学工
5.基于节点特性的ZigBee网络能量优化路由研究 [J], 刘丹;钱志鸿;刘影;李悦因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于能量优化的ZigBee路由算法
基 于 能量 优 化 的 Ｚｇ ｅ 路 由算 法 ｉ息工程学 院 ，兰州
摘
７０７ ３０ ０）
要 ：最初 的 Ｚｇ ｅ 路 由设 计主要考虑开销控 制等 ，对 能量 因素考虑不足 。在 原来的基础上 ，对 ＭＢ Ｒ协议 进 ｉ ｅ Ｂ Ｃ
行改进 ，加 强了低能量节点的控 制、传输方 向上对路 由的控制 ，有效地使 用低 能量 节点 ，减 少了网络功耗 。
关 键 词 ：ＭＢ Ｒ协 议 ；网络 功耗 ；网络 分割 ；节点 剩 余 能 量 Ｃ
Ｚｉ Ｂｅ ｕ ｉ ｇ Ａｌ ｏ ｉ ｍ ａ ｅ ｎ Ｅｎ ｒ ｙ Ｏｐ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｇ ｅ Ｒｏ ｔｎ ｇ ｒｔ ｈ ｂ ｓｄ ｏ ｅ ｇ ｔ ｚ ｔ ｍ ｏ
ｎ
点体积小 ，而 电池 的寿命十分有 限 。当无 线传感 器 网络 中某
些 Ｚｇ ｅ 节点 电池 电量 耗完 ，节点将无法参 与工作 ，容 易导 ｉ ｅ Ｂ
致 网络 分 割 ，可 能 使 其 他 节 点 无 法 正 常通 信 ，从 而 整 个 Ｚｇ ｅ ｉ ｅ网络性 能下降甚 至瘫痪 。在实 际应 用 中无 线传感 器 网 Ｂ 络一般部署 在环境复杂 的地区 中，大部分 Ｚｇ ｅ 节点 随机播 ｉ ｅ Ｂ 撒 ，当节点 电池 能量 不足时 ，及 时更换 电池是 不可能 的。降 低 网络 功耗和均衡 网络能量是 网络控制 中 的一对 矛盾 ，而 目 前 的相关 能量有效路 由协议也 只是从单 方面 因素考虑节 能路
路 由协议 。
２１ ＭＢ Ｒ （ 小 电池 开 销 ）路 由协 议 ． Ｃ 最
它 的主要 思想是选 择源节 点和 目的节点 之 间路 径 中总的
剩余 能量 最多 的路 由。如果 剩余能量 一样 多 ，选择 转发数 据
基于Zigbee的校园节能监管系统网关的研究与设计
039商业故事BUSINESS STORYIndustry News·产业动态基于Zigbee 的校园节能监管系统网关的研究与设计唐振昌（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）摘要：随着社会和经济的飞速发展，校园能耗高的问题日益突出，校园能源利用存在较大的浪费现象。
如何高效地将校园的能耗数据采集、整合以及分析，从而实现对能耗的远程监控和管理，这对于高校的绿色节能建设尤为重要。
文章将针对基于Zigbee 传输的校园节能监管平台的无线网关进行了相关研究。
基于生态系统良性循环的原则，以电子信息、互联网技术为支撑而建立的新型体系。
为此引入基于Zigbee 传输无线网关这一解决方案，实现将不同使用标准，不同频段的传感网络汇集到通信网络，研究需求分析后得出其功能。
无线网关通过使用开放的、可插拔的无线传感网络Zigbee 接入模块，可以及时响应传输数据，从而实现物理世界、计算机世界以及管理人员的即时沟通。
关键词：节能校园；监管平台；Zigbee；无线网关；设计与实现一、研究背景及现状目前，大多数高校没有建立用电明细账本，对校园内的各个建筑没有进行用电核算，因此，管理者们只掌握总的用电情况，对校园内功能性区分用电情况并不了解，也基本不作统计。
而每栋建筑的节能基本靠保安管理，所以校园内还是存在较大的节电潜力的。
随着全球经济的快速发展，节能的生活理念日渐深入人心。
校园能耗监管平台的设计与形成是在节约型社会、生态学、可持续发展、校园管理等理论在高校内的实际应用。
因此对校园能耗信息进行采集和统计分析，建设校园节能监管平台有着重要的意义。
文章通过对互联网公司提出的不同的服务器的处理平台，利用Zigbee 进行网关处理，然后进行CC2530芯片的DTD243Aes Demo Zigbee开发套件。
在设计完成的过程中，加入了Zigbee 的嵌入式网关，通过其与互联网的相互结合，实现了数据的传输。
在网关的硬件得到编程后，介绍Zigbee 的处理模块和通信模块等，并通过对其进行实验，得出了其较好的思维模型。
基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法
基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法钱志鸿;朱爽;王雪【期刊名称】《计算机学报》【年(卷),期】2013(036)003【摘要】针对ZigBee路由协议没有很好结合AODVjr(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing Junior)和Cluster-Tree算法的问题,从网络能量优化的角度出发,文中设计了一种基于分簇机制的ZigBee混合路由算法——CLZBR算法,簇间采用AODVjr算法,簇内采用Cluster-Tree算法,并通过计算目的节点的父节点地址等方法,减少网络中冗余的RREQ(Route Request)分组,降低能量消耗；同时为了避免簇首由于能量过度消耗而成为失效节点,该算法提出备用节点的概念,当簇首能量过低时代替簇首以保证网络的稳定性.仿真结果表明,CLZBR算法相对ZigBee混合路由算法在包投递率、路由开销百分比和网络剩余能量百分比方面都有明显改善.%Taking it into consideration that ZigBee technology fails to well combine and balance AODVjr (Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing Junior) and Cluster-Tree routing algorithms, this paper proposes an improved, cluster-based algorithm named CLZBR. The proposed scheme focuses on network energy optimization of ZigBee routing. CLZBR algorithm employs AODVjr and Cluster-Tree routing algorithms respectively between clusters and within clusters to reduce redundancy of RREQ (Route Request) packets and energy consumption of network. CLZBR algorithm also calculates the address of destination nodes' parents to decrease energy consumption better. Besides, excessive energyconsumption always causes the cluster heads to be ineffective. CLZBR algorithm uses alternate nodes to replace the cluster heads to guarantee network stability when the cluster heads' energy are abnormally low. The simulation result demonstrates that CLZBR algorithm performs significantly better than ZigBee routing algorithm in packet delivery ratio, routing overhead ratio as well as remaining energy ratio.【总页数】9页(P485-493)【作者】钱志鸿;朱爽;王雪【作者单位】吉林大学通信工程学院长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TP393【相关文献】1.基于自适应分簇机制的ZigBee路由优化算法 [J], 倪子云;张灵2.基于非均匀分簇机制的ZigBee混合路由算法 [J], 白乐强;王玉涛3.基于能量分簇的传感器网络路由机制 [J], 孙睿;曹耀钦4.一种能量均衡化分层式分簇单跳和多跳混合的WSN路由算法研究 [J], 史振兴;范秀娟;姜莹;赵婧5.基于能量均衡的ZigBee路由优化算法 [J], 朱尚聪;吕红芳;吉书瑶因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法_钱志鸿
第３６卷第３期２０１３年３月计算机学报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＭＰＵＴＥＲＳＶｏｌ．３６Ｎｏ．３Ｍａｒ．２０１３基于分簇机制的ＺｉｇＢｅｅ混合路由能量优化算法钱志鸿朱爽王雪（吉林大学通信工程学院长春１３００１２）摘要针对ＺｉｇＢｅｅ路由协议没有很好结合ＡＯＤＶｊｒ（ＡｄｈｏｃＯｎ－ＤｅｍａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＶｅｃｔｏｒＲｏｕｔｉｎｇＪｕｎｉｏｒ）和Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法的问题，从网络能量优化的角度出发，文中设计了一种基于分簇机制的ＺｉｇＢｅｅ混合路由算法———ＣＬＺＢＲ算法，簇间采用ＡＯＤＶｊｒ算法，簇内采用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法，并通过计算目的节点的父节点地址等方法，减少网络中冗余的ＲＲＥＱ（ＲｏｕｔｅＲｅｑｕｅｓｔ）分组，降低能量消耗；同时为了避免簇首由于能量过度消耗而成为失效节点，该算法提出备用节点的概念，当簇首能量过低时代替簇首以保证网络的稳定性．仿真结果表明，ＣＬＺＢＲ算法相对ＺｉｇＢｅｅ混合路由算法在包投递率、路由开销百分比和网络剩余能量百分比方面都有明显改善．关键词ＺｉｇＢｅｅ；分簇；ＡＯＤＶｊｒ；Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ；物联网中图法分类号ＴＰ３９３ＤＯＩ号１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１６．２０１３．００４８５ＡｎＣｌｕｓｔｅｒ－ＢａｓｅｄＺｉｇＢｅｅＲｏｕｔｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＮｅｔｗｏｒｋＥｎｅｒｇｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＱＩＡＮＺｈｉ－ＨｏｎｇＺＨＵＳｈｕａｎｇＷＡＮＧＸｕｅ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＪｉｌｉｎ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２）ＡｂｓｔｒａｃｔＴａｋｉｎｇｉｔｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｔｈａｔＺｉｇＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆａｉｌｓｔｏｗｅｌｌｃｏｍｂｉｎｅａｎｄｂａｌａｎｃｅＡＯＤＶｊｒ（ＡｄｈｏｃＯｎ－ＤｅｍａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＶｅｃｔｏｒＲｏｕｔｉｎｇＪｕｎｉｏｒ）ａｎｄＣｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏ－ｒｉｔｈｍｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｎａｍｅｄＣＬＺＢＲ．ＴｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅｆｏｃｕｓｅｓｏｎｎｅｔｗｏｒｋｅｎｅｒｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＺｉｇＢｅｅｒｏｕｔｉｎｇ．ＣＬＺＢＲａｌｇｏｒｉｔｈｍｅｍｐｌｏｙｓＡＯＤＶｊｒａｎｄＣｌｕｓｔｅｒ－ＴｒｅｅｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｂｅｔｗｅｅｎｃｌｕｓｔｅｒｓａｎｄｗｉｔｈｉｎｃｌｕｓｔｅｒｓｔｏｒｅｄｕｃｅｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｏｆＲＲＥＱ（ＲｏｕｔｅＲｅｑｕｅｓｔ）ｐａｃｋｅｔｓａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｎｅｔｗｏｒｋ．ＣＬＺＢＲａｌｇｏｒｉｔｈｍａｌｓｏｃａｌｃｕｌａｔｅｓｔｈｅａｄｄｒｅｓｓｏｆｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎｎｏｄｅｓ’ｐａｒｅｎｔｓｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｂｅｔｔｅｒ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｅｘｃｅｓｓｉｖｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｌｗａｙｓｃａｕｓｅｓｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓｔｏｂｅｉｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．ＣＬＺＢＲａｌｇｏｒｉｔｈｍｕｓｅｓａｌｔｅｒｎａｔｅｎｏｄｅｓｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｎｅｔ－ｗｏｒｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｈｅｎｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓ’ｅｎｅｒｇｙａｒｅａｂｎｏｒｍａｌｌｙｌｏｗ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｄｅｍｏｎ－ｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔＣＬＺＢＲａｌｇｏｒｉｔｈｍｐｅｒｆｏｒｍｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｂｅｔｔｅｒｔｈａｎＺｉｇＢｅｅｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｐａｃｋｅｔｄｅｌｉｖｅｒｙｒａｔｉｏ，ｒｏｕｔｉｎｇｏｖｅｒｈｅａｄｒａｔｉｏａｓｗｅｌｌａｓｒｅｍａｉｎｉｎｇｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＺｉｇＢｅｅ；ｃｌｕｓｔｅｒ；ＡＯＤＶｊｒ；Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ；ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ１引言随着物联网概念的提出，一直倍受瞩目的ＺｉｇＢｅｅ技术作为其关键技术之一①，有着不可限量的发展．ＺｉｇＢｅｅ是一种短距离无线通信技术，它可以很好地解决物联网中最后１００ｍ的通信问题，同时由于其自身低速率、低成本、低功耗、低复杂度及收稿日期：２０１１－１２－２３；最终修改稿收到日期：２０１２－０２－２１．本课题得到国家自然科学基金（６１０７１０７３）、教育部高等学校博士学科点专项科研基金（２００９００６１１１００４３）资助．钱志鸿，男，１９５７年生，博士，教授，博士生导师，主要研究领域为无线传感器网络、无线个域网、物联网．Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｒ．ｑｚｈ＠１６３．ｃｏｍ．朱爽，女，１９８８年生，硕士，中国计算机学会（ＣＣＦ）学生会员，主要研究方向为ＺｉｇＢｅｅ技术、低速无线个域网网络层、物联网．王雪，女，１９８４年生，博士研究生，主要研究方向为ＺｉｇＢｅｅ技术、物联网．①ＴｈｅＺｉｇＢｅｅＡｌｌｉａｎｃｅ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｉｇｂｅｅ．ｏｒｇＬｍ －ｄ－１ ４８６计 算 机 学 报２０１３年高可靠性等特点，在 智能家居、智 能交通、医 疗以及工业自动化等方面都有广泛应用［１］．如何优化 ＺｉｇＢｅｅ路由、降低能量消耗一直是学 者关注的热点，虽 然 ＺｉｇＢｅｅ技 术 优 势 很 多，但 网 络 层却长 期处于修改和 完 善 中，因 此 有 大 量 学 者 对 ＺｉｇＢｅｅ路由算法的完 善和能量优化展开研究 ，为 物 联网的应用 与 发 展 奠 定 了 很 好 的 理 论 基 础 ．Ｈａ和 Ｐａｒｋ等 人［２］提 出 一 种 ＺｉｇＢｅｅ ｍｅｓｈ 网 络 分 层 路 由 协议（ＥＨＲＰ），该 协 议 利 用 了 ＺｉｇＢｅｅ 地 址 分 层 策 略，能找到最短 的分层路径 ，从 而减少路由的开销． Ｚｈａｎｇ和 Ｚｈｏｕ 等人［３］提 出一种针对路径选择的路 由算 法，将 节 点 的 剩 余 能 量 和 ＡＯＤＶｊｒ（Ａｄ ｈｏｃ Ｏｎ－ＤｅｍａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＶｅｃｔｏｒＲｏｕｔｉｎｇＪｕｎｉｏｒ）路 由 算法相结合，以便 找到能量感知路由和最短路径路由之间的平衡点．刘 丹等人［４］提 出基于路由节点特 性的 ＺｉｇＢｅｅ路 由算法．Ｌｉｎ 和 Ｍｅｎｇ等人［５］提 出 对 路由请求分组的泛洪进行控制，从 而减少了 ＲＲＥＱ（ＲｏｕｔｅＲｅｑｕｅｓｔ）分组的泛洪，降 低了能量消耗．Ｌｅｅ 和 Ｋｉｍ 等 人［６］是 将 ＺｉｇＢｅｅ 网 络 分 成 若 干 个 逻 辑 簇，并 使 用 簇 标 签 来 对 簇 进 行 标 识 ．Ｂｈａｔｉａ 和Ｋａｕｓｈｉｋ［７］也将分簇引入 ＺｉｇＢｅｅ路由中，但这两种方 法每个簇内节点数过少，网络中大多数是 ＲＮ＋节点， 没有从根本上解决 ＲＲＥＱ 分组的泛洪，从 而造成了 能量的多余消耗．李 成法等人［８］认 为均匀区划分簇会导致汇聚点附近的节点能量过度消耗而失效 ，故 提出一种非均匀分簇的无线传感器网络路由协议． Ｓｈａｎｇ等人［９］利用实际平台对 ＡＯＤＶｊｒ 进 行 了 改 进，提出将 ＡＯＤＶ 的路由修复 ＲＥＲＲ 加入 ＡＯＤＶｊｒ 中，通过多路反馈的方式来更好地平衡负载 ，但同时衡的设计方法［１０］；同时现有 论文中大多数都提及到查找公共父节点的概念 ，但几乎没有人给出如何根 据节点地址计算出其父节点地址的具体方法．* ＺｉｇＢｅｅ路由机制 ＺｉｇＢｅｅ有３种网络拓扑形 式，分 别为星状网、树 状网和网状网．ＺｉｇＢｅｅ网 络中节点可以分为 ３ 种类 型：ＺｉｇＢｅｅ协调器（ＺｉｇＢｅｅＣｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ，ＺＣ）、ＺｉｇＢｅｅ 路由节 点 （ＺｉｇＢｅｅＲｏｕｔｅｒ，ＺＲ）和 ＺｉｇＢｅｅ 终 端 节 点 （ＺｉｇＢｅｅＥｎｄＤｅｖｉｃｅ，ＺＥＤ），其 中，ＺＣ 和 ＺＲ 属于全 功能设备（ＦｕｌｌＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），可以与 ＦＦＤ 和 ＲＦＤ（ＲｅｄｕｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）进 行 通 信，ＺＥＤ 属于简化功能设备 （ＲＦＤ），只 能和 ＦＦＤ 进 行 通 信， 每个网络中只能有一个 ＺＣ，是一个网络的发起者 并 成为该网络的控制中心 ，其它节点相应加入该网络 ． ２．１ ＺｉｇＢｅｅ地址分配 ＺｉｇＢｅｅ网络中的每个 节点都有一个 ６４ 位扩展 地址 和 一 个 １６ 位 短 地 址，６４ 位 扩 展 地 址 类 似 于 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中的 ＭＡＣ 地址，是 节点的唯一标识；１６ 位 短地址由加入网络的节点的父节点进行动态分配，类似于ＩＰ地址，仅用于路由机制和网络中的数据传输． 协调器首先 规 定 ３ 个 参 数：Ｃｍ （父 节 点 最 多 可 以连接的子节点数 ）、Ｌｍ （网 络的最大深度）、Ｒｍ （子 节点中最多可以连接的路由节点数），计算网络深度 为ｄ 的 父 节 点为 其 子节点分配地址时的偏移量 Ｃｓｋｉｐ（ｄ），具体如式（１）所示． １＋Ｃｍ （Ｌｍ －ｄ－１）， Ｒｍ ＝１烄Ｃｓｋｉｐ（ｄ）＝烅１＋Ｃｍ －Ｒｍ －Ｃｍ ·Ｒｍ， 其它也增加 了 控 制 开 销．Ｒａｎ 等 人［１０］考 虑 到 ＺｉｇＢｅｅ 规 范中虽然采用 ＡＯＤＶｊｒ＋Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ的 混合路由 烆１－Ｒｍ（１） 算法，但几乎没有 通过平衡二者来提高网络性能的 设计方法，并据此 提出一种基于数据服务和邻居节 点能量平衡的 ＺｉｇＢｅｅ网络层路由 选择策略 ．但 该方 法仅根据数据流的不同，来设 置 ＺｉｇＢｅｅ协 议中路由 发现域相关的参数，并 没有从路由本身出发来减少 能量的损耗．本文在对 ＺｉｇＢｅｅ协议规范深 入研究后 ，发 现虽 然 ＺｉｇＢｅｅ网 络层采用 ＡＯＤＶｊｒ［１１］＋Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ①只有当偏移量大于 ０ 时，该 节点才具有为其子 节点分配网络地址的能力 ，即允许子节点的加入 ．具 体分配机制如下：（１）协调器将自身地址设置为 ０，网 络深度设置 为０．（２）假设父 节点的地址 为 Ａｐ ，当 其 第ｉ 个 路 由 节点 加 入 时，分 配 的 地 址 如 式 （２）所 示，其 中 １ ｉ Ｒｍ ．的混合路由算法，但 现阶段几乎都是将 ＡＯＤＶｊｒ和 Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ路由算 法 分 开 来 进 行 研 究 ，而 且 现 有 的研究及规范中并没有提及如何设置相应参数来进 行路由策略的选择，缺少能结合二者优点 、使二者平Ａｉ＝Ａｐ ＋Ｃｓｋｉｐ（ｄ）·（ｉ－１）＋１ （２）① ＩＥＥＥ Ｐ８０２．１５ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ．Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｔｒｅｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ （Ｖｅｒ．０．６）［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｅｅ８０２．ｏｒｇ／１５／ｐｕｂ／ ２００１／Ｍａｙ０１／０１１８９ｒ０Ｐ８０２－１５＿ＴＧ４－Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ－Ｎｅｔｗｏｒｋ． ｐｄｆ３期钱志鸿等：基于分簇机制的ＺｉｇＢｅｅ混合路由能量优化算法４８７（３）当其第ｋ个终端节点加入时，分配的地址如式（３）所示，其中１ ｋ （Ｃｍ－Ｒｍ）．Ａｋ＝Ａｐ＋Ｃｓｋｉｐ（ｄ）·Ｒｍ＋ｋ（３）（４）通过此种地址分配，节点根据式（４），判断目的节点是否为自己后代节点．Ａ＜Ｄ＜Ａ＋Ｃｓｋｉｐ（ｄ－１）（４）（５）假如节点的地址为Ａ、深度为ｄ，地址为Ｄ的节点满足式（４），则地址为Ｄ的节点是地址为Ａ的节点的后代节点，地址为Ａ的节点根据式（５）确定下一跳节点的地址．Ｄ，终端节点烄Ｎ＝３ＣＬＺＢＲ算法本文为了便于中大型网络的管理，提出一种能很好综合ＡＯＤＶｊｒ和Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法优点的ＺｉｇＢｅｅ路由算法———ＣＬＺＢＲ算法，该算法将分簇技术引入ＺｉｇＢｅｅ网络中，簇与簇之间采用ＡＯＤＶｊｒ算法进行数据的传输，而在簇内采用简单的Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法．不仅使用最佳路由路径，且减少了冗余的ＲＲＥＱ分组，网内很多节点采用简单的Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法，从而降低了能量的消耗；为了避免簇首能量消耗过度而造成网路的中断，该算法引烅Ａ＋１＋Ｃｓｋｉｐ（ｄ），其它烆（５）入备用节点的概念；本文还针对ＺｉｇＢｅｅ的地址分配方案进行了研究，提出一种根据目的节点计算其父（６）如果地址为Ｄ的节点不是地址为Ａ的节点的后代节点，则将数据传给地址为Ａ的节点的父节点．虽然这种地址分配方案主要针对树状网络，但更适合中大型网络的簇状结构，也可以利用该种地址分配方案进行地址分配．本文对该种分配方案进行了深度研究，发现可以将地址分为若干地址块，当知道目的节点地址时，能通过轮询的方式计算出目的地址的父节点地址，当源节点路由表中没有目的节点但却有其父节点时，便可直接传递，省去了路由查找过程，节省很多开销，从而节约了能量．２．２ＺｉｇＢｅｅ路由算法ＺｉｇＢｅｅ采用ＡＯＤＶｊｒ＋Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ的路由算法［１２］，将路由节点分成两类：ＲＮ＋节点和ＲＮ－节点，其中，ＲＮ＋节点可以采用ＡＯＤＶｊｒ路由算法，能发起路由发现过程来寻找最佳路由路径，ＲＮ－节点则只能采用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法．ＡＯＤＶｊｒ算法可以通过路由发现过程找到到达目的节点的最佳路径，但在发起路由发现过程时，需广播ＲＲＥＱ分组，且大多数的ＲＲＥＱ分组是无用的，这样就造成了冗余，同时，转发分组会造成能量消耗，导致节点过早死亡．Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法简单，且不用存储路由表，降低了路由协议的控制开销和节点能量消耗，但在网络规模过大时，会因为寻找的非最佳路由路径，造成跳数过多，导致路由费用过高，延时过大．ＡＯＤＶｊｒ和Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ路由算法都存在着各自的优缺点，虽然ＺｉｇＢｅｅ将二者结合起来，但并没有相应规范中提及如何设置相应参数来进行路由策略的选择，缺少能结合二者优点、使二者平衡的设计方法［１０］．节点地址的方法，减少了网内路径建立的过程，降低了网络的开销，从而节约了能量．３．１ＣＬＺＢＲ簇结构的建立ＣＬＺＢＲ算法将ＺｉｇＢｅｅ网络分为很多个逻辑簇，节点分为４种类型：簇首、网关节点、簇成员及备用节点．该算法用节点标志位ｒ来判断不同的节点类型，ｒ为０代表簇首（ＣＨ）；ｒ为１代表网关节点（ＧＷ）；ｒ为２代表备用节点（ＡＨ）；ｒ为３代表簇成员．每个簇包含一个簇首，簇首起簇内控制及管理作用，包括簇内节点地址及路由等信息．同时，为了避免簇首由于能量消耗过多而失效，造成网络断开，使每个簇内包含一个备用节点，当簇首能量过低时，代替簇首充当本簇簇首，即当簇首剩余能量低于额定阈值时，退化成簇成员节点，将自身节点标志位ｒ设置为３；备用节点充当本簇簇首，并将自身节点标志位ｒ设置为０．本文对簇的形成做了如下规定：（１）只有协调器和路由节点有权利形成簇，并成为簇首．终端节点不能形成簇，只能加入其父节点所在簇．（２）只有距离簇首为偶数的路由节点能形成新的簇，并成为簇首．这种方式将简化簇形成的同时保持簇的逻辑关系．（３）每个簇内最多只能有两个网关节点．（４）每个簇的网络深度为３（可以自行设置）．ＣＬＺＢＲ算法将簇的形成过程大致分为７步，图１为ＣＬＺＢＲ的一个简单簇结构，接下来将结合图１进行分簇过程的说明．（１）协调器ａ首先建立网络，形成第一个逻辑簇并成为簇首，簇深度（ＣＬ３．ｍ）限制为（可自行设置）４８８计算机学报２０１３年图１ＣＬＺＢＲ的簇结构（２）ａ将自身的节点标记位ｒ设置为０，其它节点加入该簇，ａ通过式（２）和（３）为加入的子节点分配１６位短地址．（３）ａ从加入的子路由节点中选择一个剩余能量最大的路由节点ｂ作为本簇的备用节点，选择两个后代节点最多的路由节点ｃ和ｄ作为本簇的网关节点．（４）ａ在本簇内进行广播，ｃ和ｄ节点收到广播后将自身的节点标记位ｒ设置为１，ｂ节点将自身的节点标志位ｒ设置为２，其它簇内节点将自身的节点标志位ｒ设置为３．（５）ａ记录簇内所有节点的地址信息．（６）ｃ和ｄ分别在链接的子路由节点中选择两个后代节点最多的节点ｅ和ｆ做为新簇的簇首，并通过上述方法建立新的簇，并不断传递下去，从而形成各个逻辑簇．３．２ＣＬＺＢＲ父节点地址的计算本文通过对ＺｉｇＢｅｅ的地址分配方案进行研究，设计出一种根据目的节点地址计算其父节点地址的方法，主要是通过轮询的手段，根据式（４）判断目的节点所在地址块，并最终找到目的地址，当找到相应的地址时，便也计算出其父节点的地址．图２详细地介绍了父节点地址的计算方法，其中字母Ａ为直接父节点的地址，ｄ为当前深度，ＡＬ为父节点的后代节点地址下界，ＡＵ为父节点的后代节点地址上界，ＦＤ为真表示已经找到相应的目的地址，Ｒ为路由参数．Ａｐ代表最终计算出的父节点地址，Ｄｅｅｐ代表目的节点的深度．并使用字母Ｂ代表Ｃｓｋｉｐ（ｄ－１）×Ｒｍ，Ｃ代表Ｃｓｋｉｐ（ｄ）×Ｒｍ．图２父节点地址的计算流程图１中标识节点后的数字为根据ＺｉｇＢｅｅ的地址分配方式计算出来的节点地址，接下来将结合图１中对该计算过程进行详细叙述．（１）设未知节点ｑ的地址为Ｄ，查看ｑ是否为协调器ａ的终端节点，如果是，例如节点ｊ，则其父节点地址为ａ的地址０，自身深度为１．如果不是，进入步（２）．（２）从协调器的第一个路由地址块开始查找，如果属于该路由地址块，即１～４２６，则进入步（３），否则进入步（４）．（３）将所在地址块按深度一级一级进行查找，每一级均先查找当前父节点的路由地址块，如属于某地址块则增加一级继续查找，直至找到ｄ，即ＦＤ为１，例如节点ｋ需经过４级查找，之后进入步（５）；如不属于任何路由地址块则为当前父节点的终端节点，例如节点ｌ经过５级查找后为节点ｋ的终端节点，ｌ的父节点即为ｋ节点，之后进入步（５）．３期钱志鸿等：基于分簇机制的ＺｉｇＢｅｅ混合路由能量优化算法４８９（４）对协调器其它地址块进行查找，直至找到所在地址块，例如节点ｉ属于第四地址块，即１２７９～１７０４；节点ｋ和ｌ属于第二地址块，即４２７～８５２，之后进入步（３）．（５）得出计算结果，ｑ的父节点地址为当前父节点的地址，即最终字母Ａ的值，深度为字母Ｄ的值，例如节点ｉ只经过１级查找，其父节点地址为０，自身深度为１；节点ｋ经过４级查找，其父节点地址为４２９，自身深度为４；节点ｌ需经过５级查找，其父节点地址为４３０，自身深度为５．这种方法主要是针对当源节点有数据发送给目的节点时，发现路由表项中并没有包含目的节点但却有其父节点地址的现象，源节点就可以直接将数据发往目的节点的父节点，这样当父节点收到数据之后，便可以采用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ的方式将数据传至目的节点．该方法省去了路由发现过程，不仅减少了冗余分组、节省了网络的开销，从而也降低了延时和能耗．３．３ＣＬＺＢＲ数据帧的传输簇如果选择过大便会失去分簇的意义，一般来说，一个簇都不会特别的大．在簇内使用ＡＯＤＶｊｒ算法相对耗能多，同时网络中如果过多的使用ＲＮ＋节点，将会产生大量的ＲＲＥＱ分组冗余，从而造成能量的严重损耗，所以ＣＬＺＢＲ算法将簇的自身深度限制为３（可以根据实际需要进行设置），并选择在簇与簇之间使用ＡＯＤＶｊｒ算法进行传输，而簇内使用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法进行传输，即簇首、网关节点和备用节点采用ＲＮ＋节点，但需对备用节点进行限制，平时只能采用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法，只有当其充当本簇簇首时，才可以采用ＡＯＤＶｊｒ算法，其它路由节点采用ＲＮ－节点．（１）源节点所在簇源节点所在簇的节点在接收到数据帧之后的处理流程具体如图３所示．当源节点有信息要进行传输时，源节点首先通过式（４）判断目的节点是否是自己的后代节点，若是，传向该分支的下一跳节点，若不是，则判断自身节点类型，并根据节点类型的不同采取不同的处理方式．源节点所在簇成员在收到数据帧或者发送数据帧时，只能采用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法，不能存储路由表，需首先判断自己是不是目的节点．若是，接收数据；若不是，判断目的节点是否是自己的后代节点，假如是，传向该分支的下一跳节点，否则节点根据图３源节点所在簇节点对数据帧的处理流程Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法进行数据的转发，将数据帧发往其父节点，最终传至本簇簇首．源节点所在簇网关节点在收到数据帧或者发送数据帧时，首先判断自己是不是目的节点．若是，接收数据；若不是，判断目的节点是否是自己的后代节点，假如是，传向该分支的下一跳节点，否则直接将数据帧传给本簇簇首（深度较低的簇首）．源节点所在簇簇首在收到数据帧或者发送数据帧时，首先判断自己是不是目的节点．若是，接收数据；若不是，判断目的节点是否是自己的后代节点，若是，传向该分支的下一跳节点，若不是，簇首暂存该数据信息，查看路由表是否包含目的节点地址条目，如果有，直接将数据按照指定路径传送给目的节点，如果没有，根据目的节点地址计算其父节点的地址，查看路由表是否包含其父节点地址条目，包含则直接将数据传给目的节点的父节点，不包含则发起路由发现过程来寻找到达目的节点的最佳路径．（２）目的节点所在簇目的节点所在簇的节点在接收到数据帧之后的处理流程具体如图４所示．４９０计 算 机 学 报 ２０１３年图 ４ 目的节点所在簇节点对数据帧的处理流程当信息传至目的节点所在簇簇首时 ，簇 首对比 自己已存的簇内节点地址信息 ，发现有目的节点地 址信息，该簇首暂存数据信息 ，并将数据传至目的节 点所在分支，最终传至目的节点．假如是源节点通过计算含有目的节点的父节点地址信息，将数据发给目的节点的父节点 ，父节点直 接将数据信息交付给目的节点 ；否则目的节点所在 簇的簇分支在收到数据帧之后 ，节点首先判断自己 是否 是 目 的 节 点．若 是，接 收 数 据；若 不 是，利 用 式（５）将数据传至目的节点所在分支的下一跳节点 ， 直至发送到目的节点．（３）路由发现过程 由于簇内使用 Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算 法进行传输，所 以不能发起路由发现过程及转发 ＲＲＥＱ 分组，本 算 法让簇与簇之间使用 ＡＯＤＶｊｒ算 法，即 簇首及网关 节点采用 ＲＮ＋ 节 点，普 通 簇 成员只能采用简单的 Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法，因此 可以减少 ＲＲＥＱ 分组的泛 洪，从而降低能量的消耗．当目的节点与源节点不属 于同一个簇时，源节点将信息传至本簇簇首 ，该簇首 发起路由发现过程，以 寻找到达目的节点的最佳路 径．当 节点接收到 ＲＲＥＱ 分组时，具 体的 处 理 流 程 如图５所示．ＲＲＥＱ 分组只能在节点标志位为０或者１的节 点，即簇首 和 网 关 节 点 之 间 进 行 转 发 ．节 点 在 收 到 ＲＲＥＱ 分组之后，首 先 判 断 自 身 节 点 类 型 ，当 簇 首 收到 ＲＲＥＱ 分组之后，轮 询已存储的簇内节点地址 信息，判断目的节 点是否是本簇节点 ．若 是，则 向源 节点所在簇簇首发送 ＲＲＥＰ（ＲｏｕｔｅＲｅｐｌｙ）分 组；若 不是，则进行 ＲＲＥＱ 分组的转发．（４）路由回复过程 节点接收到 ＲＲＥＰ分组后处理流程如图６所示． 当节 点 发 起 路 由 发 现 过 程 时，广 播 ＲＲＥＱ 分组，收 到 ＲＲＥＱ 分 组 的 节 点 在 转 发 ＲＲＥＱ 分 组 的 同时会保存到达上一跳的反向路由 ，最 终当目的节 点所在簇簇首接收到 ＲＲＥＱ 分组时，反 向路径已经 建立，该簇首只需 按照其路径向源节点所在簇簇首 发送 ＲＲＥＰ分组即可．当 源节点所在簇簇首接收到来自于多条路径的 ＲＲＥＰ 分组时，簇 首选择路径成 本最小的路径作为到达目的节点的路由 ．当 路径成 本有多 个最小的路径时 ，簇 首 选 择 最 早 接 收 到 的 ＲＲＥＰ 分组所对应的路径．源节点所在簇簇首在收到 ＲＲＥＰ 分组之后，将 暂存的数据信息按照找到的最佳路径发往目的节点 所在簇簇首，目的节点所在簇簇首暂存该数据信息 ．同时，为了节 省能量，避 免重复的工作，源 节 点３期钱志鸿等：基于分簇机制的ＺｉｇＢｅｅ混合路由能量优化算法４９１所在簇簇首会在收到ＲＲＥＰ分组之后将目的节点和目的节点所在簇簇首的地址信息均保存至路由表，当本簇内的成员想往目的节点发送信息时，可以直接将数据发给簇首，簇首按照之前的路径进行传输，不用再触发路由发起过程，以达到簇内路由信息共享．４仿真分析为了有效地评价ＣＬＺＢＲ算法的性能，本文采用ＮＳ２，利用ＩＥＥＥ８０２．１５．４的ＰＨＹ层和ＭＡＣ层图７为ＣＬＺＢＲ与ＺＢＲ算法分组投递率的比较，可见随着节点数目的增多，导致网络中数据分组和控制分组增加，分组投递率都有所降低，但是由于ＣＬＺＢＲ算法减少了网内的ＲＲＥＱ分组，降低了数据传输的碰撞，所以性能相对好于ＺＢＲ算法．４．２路由开销百分比路由开销指的是网络中路由控制分组的数目，而路由开销百分比更能反应网络中的开销情况，百分比高的网络能量消耗也大．主要计算方法是路由发现及路由回复等控制分组的数目除上成功接收的数据分组个数．具体计算公式如式（７）所示：来实现网络层的仿真，本文将ＣＬＺＢＲ算法与ＺｉｇＢｅｅ经典路由算法ＺＢＲ分别在节点数为１０～１００个的路由控制分组数路由开销百分比＝接收的数据分组数（７）不同场景下进行了仿真比较：包括分组投递率、路由开销百分比及网络剩余能量等指标．所有仿真数据都是对网络独立运行５０次之后取的平均数值，仿真时随机分布节点，随机并发８个数据流，平均速率为０．５ｐａｃｋｅｔｓ／ｓｅｃ，其它仿真参数设置如表１所示．表１仿真参数设置网络范围／ｍ×ｍ１２０×１２０通信半径／ｍ１２节点初始能量／Ｊ２５仿真时间／ｓ２００数据流类型ＣＢＲ大小／字节８０４．１分组投递率分组投递率是衡量网络拓扑成功接收数据分组的性能指标，可以反应网络传输的可靠性，即分组投递率越大，网络的可靠性越高．分组投递率是目的节点接收到的数据分组个数与源节点发送的数据分组个数的比值．具体计算公式如式（６）所示：图７分组投递率成功接收的数据分组数图８为ＣＬＺＢＲ与ＺＢＲ算法在不同节点数目下路由开销百分比的比较情况，从图中可以看出，随着节点数目的增多，导致路由控制分组增加，路由开销百分比呈上升趋势，由于ＣＬＺＢＲ算法限制了发送ＲＲＥＱ分组的节点种类，同时采用父节点地址计算法减少了不必要的路由发现过程，从而大大减少了网络中ＲＲＥＱ分组，因此路由开销百分比明显小于ＺＢＲ算法．图８路由开销百分比４．３剩余能量百分比剩余能量百分比可以有效地衡量算法的能量使用情况，剩余能量百分比越高，节能效果越好．剩余能量百分比指的是网络中剩余的能量与网络初始能量的比值，具体计算公式如式（８）所示：网络中剩余能量剩余能量百分比＝网络中初始能量（８）当仿真结束时，图９为ＣＬＺＢＲ与ＺＢＲ算法剩余能量百分比的比较，可以看出，随着节点数目增多，参与转发的节点随之增加，路由控制和数据转分组投递率＝（６）发送的数据分组数发分组大量增多，节点消耗的能量相对增加，剩余能量百分比有所降低，且随着节点数增多趋势趋于平４９２计算机学报２０１３年缓．由于ＣＬＺＢＲ算法减少了网络中的ＲＲＥＱ分组，同时采用父节点地址计算法从而节省了很多能量的开销，降低了整体能量消耗，所以网络剩余能量始终高于ＺＢＲ算法．５结束语目前，ＺｉｇＢｅｅ被认为是最适合传感器网络接入端的短距离无线通信技术，对ＺｉｇＢｅｅ的研究将为物联网的应用与发展奠定一定基础，而网络层的能量优化一直是ＺｉｇＢｅｅ技术研究的重点．本文在对ＺｉｇＢｅｅ路由能量优化进行深入研究的基础上，提出了ＣＬＺＢＲ路由算法，它可以很好地结合ＡＯＤＶｊｒ和Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法的优点．该算法基于分簇机制，规定簇与簇之间采用ＡＯＤＶｊｒ进行通信、簇内采用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法，限制了ＲＮ＋节点的数量；并通过计算父节点地址的方式，减少了路由发现过程．这些措施大大减少了网内冗余的ＲＲＥＱ分组，降低了能量的消耗；同时ＣＬＺＢＲ算法提出的用备用节点来代替能量过低的簇首的方法，虽然增加了一些存储空间和控制开销，但平衡了节点之间的能量分配，从而保证了网络的稳定性．ＣＬＺＢＲ算法可以有效地平衡ＡＯＤＶｊｒ和Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法，分簇的结构更适合于中大型网络，其提高了ＺｉｇＢｅｅ网络的整体性能．参考文献［１］ＨｕａｎｇＬｉ－Ｃｈｉｅｎ，ＣｈａｎｇＨｏｎｇ－Ｃｈａｎ，ＣｈｅｎＣｈｅｎｇ－Ｃｈｕｎ，ＫｕｏＣｈｅｎｇ－Ｃｈｉｅｎ．ＡＺｉｇＢｅｅ－ｂａｓｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓａｆｅｔｙ．ＥｎｅｒｇｙａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇｓ，２０１１，４３（６）：１４１８－１４２６［２］ＨａＪＹ，ＰａｒｋＨＳ，ＣｈｏｉＳ，ＫｗｏｎＷＨ．ＥｎｈａｎｃｅｄｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒＺｉｇＢｅｅｍｅｓｈｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥＣｏｍｍｕｎｉ－ｃａｔｉｏｎｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００７，１１（１２）：１０２８－１０３０［３］ＺｈａｎｇＦｅｎｇ－Ｈｕｉ，ＺｈｏｕＨｕｉ－Ｌｉｎｇ，ＺｈｏｕＸｉａｏ－Ｇｕａｎｇ．Ａｒｏｕ－ｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｄｅｃｉｓｉｖｅｐａｔｈ／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００９Ｉｎｔｅｒｎａ－ｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄＮａｔｕｒａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇ（ＣＩＮＣ２００９）．Ｗｕｈａｎ，Ｃｈｉｎａ，２００９：４２９－４３２［４］ＬｉｕＤａｎ，ＱｉａｎＺｈｉ－Ｈｏｎｇ，ＬｉｕＹｉｎｇ，ＬｉＹｕｅ．ＳｔｕｄｙｏｎＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋｅｎｅｒｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｏｕｔｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｎｏｄｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２００９，４１（４）：５８－６３（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（刘丹，钱志鸿，刘影，李悦．基于节点特性的ＺｉｇＢｅｅ网络能量优化路由研究．东北师大学报（自然科学版），２００９，４１（４）：５８－６３）［５］ＬｉｎＺｉ－Ｊｉｎｇ，ＭｅｎｇＭａｘＱ－Ｈ，ＬｉａｎｇＨｕａ－Ｗｅｉ．ＡｒｏｕｔｅｄｉｓｃｏｖｅｒｙｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｌｉｍｉｔｅｄｆｌｏｏｄｉｎｇｉｎＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋｓ／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＬｏｇｉｓｔｉｃｓ．Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｃｈｉｎａ，２００８：３０３９－３０４４［６］ＬｅｅＫＫ，ＫｉｍＳＨ，ＰａｒｋＨＳ．Ｃｌｕｓｔｅｒｌａｂｅｌ－ｂａｓｅｄＺｉｇＢｅｅｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｗｉｔｈｈｉｇｈｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２ｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＮｅｔｗｏｒｋｓＣｏｍｍｕ－ｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＩＣＳＮＣ２００７）．ＣａｐＥｓｔｅｒｅｌ，Ｆｒａｎｃｅ，２００７：１２－１２［７］ＢｈａｔｉａＡ，ＫａｕｓｈｉｋＰ．ＡｃｌｕｓｔｅｒｂａｓｅｄｍｉｎｉｍｕｍｂａｔｔｅｒｙｃｏｓｔＡＯＤＶｒｏｕｔｉｎｇｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉｐａｔｈｒｏｕｔｅｆｏｒＺｉｇＢｅｅ／／Ｐｒｏｃｅｅｄ－ｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００８１６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＮｅｔｗｏｒｋｓ（ＩＣＯＮ２００８）．ＮｅｗＤｅｌｈｉ，Ｉｎｄｉａ，２００８：１－７［８］ＬｉＣｈｅｎｇ－Ｆａ，ＣｈｅｎＧｕｉ－Ｈａｉ，ＹｅＭａｏ，ＷｕＪｉｅ．Ａｎｕｎｅｖｅｎｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｓ，２００７，３０（１）：２７－３６（李成法，陈贵海，叶懋，吴杰．一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议．计算机学报，２００７，３０（１）：２７－３６）［９］ＳｈａｎｇＴａｏ，ＷｕＷｅｉ，ＬｉｕＸｕ－Ｄｏｎｇ，ＬｉｕＪｉａｎ－Ｗｅｉ．ＡＯＤＶｊｒｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｆｅｅｄｂａｃｋｐｏｌｉｃｙｆｏｒＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋ／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００９ＩＥＥＥ１３ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｎｓｕｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（ＩＳＣＥ２００９）．Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｎｐａｎ，２００９：４８３－４８７［１０］ＲａｎＰｅｎｇ，ＳｕｎＭａｏ－ｈｅｎｇ，ＺｏｕＹｏｕ－Ｍｉｎ．ＺｉｇＢｅｅｒｏｕｔｉｎｇｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎｄａｔａｓｅｒｖｉｃｅｓａｎｄｅｎｅｒｇｙ－ｂａｌａｎｃｅｄＺｉｇＢｅｅｒｏｕｔｉｎｇ／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００６ＩＥＥＥＡｓｉａ－ＰａｃｉｆｉｃＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｅｒｖｉｃｅｓＣｏｍｐｕｔｉｎｇ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ，２００６：４００－４０４［１１］ＣｈａｋｅｒｅｓＩ，Ｋｌｅｉｎ－ＢｅｒｎｄｔＬ．ＡＯＤＶｊｒ，ＡＯＤＶｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＡＣＭＳＩＧＭＯＢＩＬＥＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＲｅｖｉｅｗ．ＮｅｗＹｏｒｋ，ＵＳＡ，２００２：１００－１０１［１２］ＸｕＨａｉｙａｎ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙ－ａｗａｒｅＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋ／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２０１１１０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏＢｕｓｉｎｅｓｓ，Ｅｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ（ＤＣＡＢＥＳ２０１１）．Ｗｕｘｉ，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ，２０１１：３７８－３８１图９剩余能量百分比３期钱志鸿等：基于分簇机制的ＺｉｇＢｅｅ混合路由能量优化算法４９３ＱＩＡＮＺｈｉ－Ｈｏｎｇ，ｂｏｒｎｉｎ１９５７，Ｐｈ．Ｄ．，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｐｈ．Ｄ．ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ．Ｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｓｉｎｃｌｕｄｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｐｅｒｓｏｎａｌａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ．ＺＨＵＳｈｕａｎｇ，ｂｏｒｎｉｎ１９８８，Ｍ．Ｓ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ．ＨｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｓｉｎｃｌｕｄｅＺｉｇＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｌａｙｅｒｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ．ＷＡＮＧＸｕｅ，ｂｏｒｎｉｎ１９８４，Ｐｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ．ＨｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｓｉｎｃｌｕｄｅＺｉｇＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ．ＢａｃｋｇｒｏｕｎｄＺｉｇＢｅｅｉｓｏｎｅｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｈａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｆｉｎｉｔｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｓｏｍｅｆｉｅｌｄｓｌｉｋｅｓｍａｒｔｈｏｍｅ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｒａｎｓ－ｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｍｅｄｉｃａｌ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄｏｔｈｅｒｓｃｅｎａｒｉｏｓ．ＺｉｇＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｄｒａｗｎｇｒｅａｔｌｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｄｕｅｔｏｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｉｎｃｅｉｔｃａｍｅｕｐ．ＡｌｔｈｏｕｇｈＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋｌａｙｅｒｉｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆＺｉｇＢｅｅｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｉｔｈａｓｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｂｅｅｎｍｏｄｉｆｉｅｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｍａｎｙｓｃｈｏｌａｒｓｃａｒｒｙｏｕｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｎＺｉｇＢｅｅｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｒｏｕｔｉｎｇａｎｄｒｅｄｕｃｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｎｅｔｗｏｒｋｅｎｅｒｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＺｉｇＢｅｅｒｏｕｔｉｎｇ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｎａｍｅｄＣＬＺＢＲ．ＥｍｐｌｏｙｉｎｇＡＯＤＶｊｒａｎｄＣｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅｒｏｕｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｂｅｔｗｅｅｎｃｌｕｓｔｅｒｓａｎｄｗｉｔｈｉｎｃｌｕｓｔｅｒｓ，ＣＬＺＢＲａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｃａｐａｂｌｅｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｏｆＲＲＥＱｐａｃｋｅｔａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｎｅｔ－ｗｏｒｋ．Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍａｌｓｏｃａｌｃｕｌａｔｅｓｔｈｅａｄｄｒｅｓｓｏｆｄｅｓｔｉｎａ－ｔｉｏｎｎｏｄｅｓ’ｐａｒｅｎｔｓｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｂｅｔｔｅｒ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ＣＬＺＢＲａｌｇｏｒｉｔｈｍｕｓｅｓａｌｔｅｒｎａｔｅｎｏｄｅｓｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｎｅｔｗｏｒｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｈｅｎｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓ’ｅｎｅｒｇｙｉｓａｂｎｏｒｍａｌｌｙｌｏｗ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｄｅｍ－ｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔＣＬＺＢＲａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｍｐｒｏｖｅｓｓｏｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅｔｅａｍｈａｓｂｅｅｎｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｙｅａｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇＺｉｇＢｅｅ，Ｂｌｕｅ－ｔｏｏｔｈ，ＭｏｂｉｌｅＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋ，ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋａｎｄＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ．Ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｈａｖｅｏｂｔａｉｎｅｄｓｏｍｅｔｈｅ－ｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｎｔｈｏｓｅｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｅｙｈａｖｅｍａｎｙｒｅｓｅａｒｃｈｐａｐｅｒｓｐｕｂｌｉｓｈｅｄｉｎｓｏｍｅｗｅｌｌ－ｋｎｏｗｎａｃａｄｅｍｉｃｊｏｕｒｎａｌｓ，ａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅａｎｕｍｂｅｒｏｆｐｒｏｊｅｃｔｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｆｕｎｄｓｏｎＺｉｇＢｅｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．ＴｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．６１０７１０７３ａｎｄｔｈｅＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＰｒｏｇｒａｍｏｆＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．２００９００６１１１００４３．。
基于簇结构稳定的分环多跳路由算法
基于簇结构稳定的分环多跳路由算法周建钦;石志远;赵泽茂【摘要】为了提高大型无线传感器网络的稳定性,延长网络出现首个节点的死亡时间,提出一种基于簇结构稳定的分环多跳路由算法CBSM(Cluster structure stability based Sub-ring algorithm over multi-hop routing).CBSM算法将监测区域划分为许多固定小区,采用基于节点剩余能量和节点位置的代价函数选择簇头.仿真结果表明,基于簇结构稳定的多跳路由算法,能有效延长网络出现首个节点死亡的时间,提高整个网络的稳定性.【期刊名称】《吉首大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)003【总页数】6页(P15-20)【关键词】固定分区;分簇路由;最优簇头数目;簇心;相对距离【作者】周建钦;石志远;赵泽茂【作者单位】杭州电子科技大学通信工程学院,浙江杭州 310018;杭州电子科技大学通信工程学院,浙江杭州 310018;杭州电子科技大学通信工程学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TP393文中假设N个传感器节点随机、均匀的分布在半径为R的圆形区域内，同时有以下假设：（1）所有节点初始能量相同，节点部署完毕后不再移动.（2）节点装备有定位装置，可以感知自身地理位置.（3）基站（BS）位于圆形区域的中心且位置固定，基站能量不受限制.（4）节点能确保与所在分区内的任意一个节点保持通信.为了方便不同簇间多跳路由路径的建立，按照实际需要将整个感知区域均匀等分为h个圆环，宽度为a＝R／h.从以基站为圆心的圆向外，依次标注为第1环、第2环、……、第h环.节点部署完成后向基站发送NODE＿M消息，其中包含节点的位置信息（posi，x，posi，y）和节点当前能量信息Ei－current.基站收到节点发送来的信息后，根据实际需求计算感知区域最佳分环数h.2.1 最优分区数目无线传感器网络中，靠近基站的簇头节点因为要转发数据，其能量消耗要大于外环簇头的能量消耗，很容易因为能耗问题而过早“死亡”.为了避免出现数据传输过程中的“热点”问题，均衡不同环内簇头的能量消耗，笔者在不同环内划分规模不同的簇来解决簇头能耗不均的弊病［5］.具体来说就是：基站根据全网总体信息利用文献［4］中方法计算出各环最优簇头数目后，按照各环最优簇头数目mk（k＝1，2，...，h）将网络区域进行分区.分区模型建立完毕后，基站将区域总体信息和各环分区信息hzone、分区平均能量Eave以及基站位置posBS打包DATA＝｛N，R，h，hzone，Eave，posBS｝，并将其标注为BS＿TOTAL＿MEG向整个网络区域广播.网络区域中的任一节点在接收到BS＿TOTAL＿MEG消息后，将其自身位置信息与基站（BS）位置信息进行比较，以此来确定自己所在的环数和分区位置，方法为则节点i位于第k环内.其中D（·）为距离运算，利用以上方法，节点可以从集合DATA中找到自身所在的环数以及所在环的分区信息，各环按照分区信息进行分区，每个小分区即为一个簇.分区模型如图1所示.文中采用文献［6］中提出的无线能量消耗模型.节点发送数据的能量消耗为接收端消耗的能量为其中：Eelec表示无线收发电路发送或接受1bit数据时的能耗；εfs和εmp分别表示自由空间模型和多路衰减模型的损耗系数；d0为常数；L是要发送或接收的数据比特数.2.2 簇头选举整个感知区域分区完毕后，基站计算各分区的平均能量Eave，并向全网广播.网路中任意节点i将接收到的自己分区的平均能量值与自身剩余能量比较，能量小于分区平均能量的节点放入集合Emin中.由于平均能量的计算需要全网节点的剩余能量信息，对于大型传感器网络来说能量消耗十分巨大，因此文中采用估计方法来预测每一轮各个分区的平均能量［7］.假设传感器节点每轮消耗相同的能量，这种假设是合理的，因为采用固定分区策略每轮的簇头数量相同，通信开销相近.由文献［6］所示无线通信能耗模型可得第k环中任一簇头的能耗为由文献［4］得第1环内某个成员节点的能耗为其中，为第1环内成员节点到簇头距离平方的期望.由假设条件可以预测经过r轮后第k环内某个分区的平均能量为E＝Etotal－r·（Echk＋Enon－ch1） k＝1，2，...，h，其中Etotal＝经过r轮后第k环内任意节点剩余能量为：（1）节点上一轮为成员节点时，Ere＝E0－r·Enon－ch1；（2）节点上一轮为簇头结点时，Ere＝E0－r·Echk，k＝1，2，...，h.定义1 一个簇内所有节点位置坐标的平均值称为一个簇的主簇心，即节点的坐标质心［8］.其数学表达式为：设第k环某个簇内的任一节点i（i＝1，2，...，（Nk ／mk）），节点的位置用posi，x和posi，y表示，则簇心坐标（主簇心坐标包含在分区信息hzone中向全网广播）表示为分区中任意节点i到簇心的距离为同理，将一个簇内所有剩余能量小于簇平均能量的节点位置坐标的平均值定义为副簇心.设第k环某个簇内集合Emin中有m个节点，集合中的任一节点j（j＝1，2，...，m）节点的位置用posj，x和posj，y表示，则副簇心坐标（副簇心坐标包含在分区信息hzone 中向全网广播）表示为集合Emin中任意节点j到副簇心的距离为从而，主簇心与副簇心之间的相对距离为D＝｜D（i）－D（j）｜.为了使簇内节点保留更多的能量用来传递簇间数据，同时尽量延长第1个节点的死亡时间，采用基于节点剩余能量和节点位置的代价函数的方法选举簇头，使当选的簇头剩余能量尽可能大并且使当选簇头节点到主、副簇心的相对距离尽量小.（当选簇头剩余能量足够大才会在传递簇间数据时不至于过早死亡而使得网络瘫痪，相对距离尽可能小可以减少大部分节点向簇头传输数据时的能耗，延长其生存时间.）由节点到主、副簇心的相对距离和节剩余能量设定权值簇头选举时，在第k环的某个分区内的节点i首先从基站发送来的DATA信息中查找到自己所在分区的平均能量Eave和主、副簇心坐标判定自己所属的集合，并利用（1）和（2）式计算出节点到主、副簇心的距离D（i）和D（j）.然后，节点i利用（3）式求出代价权值W，权值W设定完毕后，节点将自身权值向所在分区内广播.节点i将接收到其他节点的权值信息与自身权值进行比较，若存在权值比自身大的节点，则该节点i退出簇头竞争成为成员节点，否则宣布自己当选为簇头. 当选为簇头的节点以固定功率f向外发送CH＿ELECTED＿MSG消息，消息中包含当选簇头节点的地理位置以及能量信息.分区内其他节点接收到此消息后检查发送此消息的节点是否与自己在同一分区，若是则退出簇头竞争，并向当选的簇头节点发送NODE＿JOIN＿MSG消息，加入该簇.簇头接收到NODE＿JOIN＿MSG消息后返回一个ACP＿MSG消息将节点加入到本簇.第（k＋1）环中的簇头节点接收到来自第k环的簇头消息后，在第k环当选簇头中选择下一跳路由节点.2.3 下一跳路由节点传输1bit的数据消耗的能量远大于处理1bit数据所消耗的能量，位于内环的簇头在数据传输过程中要转发外环数据，若是外环簇头选择下一跳路由节点算法不合理，则会造成内环某些簇头成为多个外环簇头的中继节点，或某些内环簇头节点处于相对空闲状态.这种情况会造成节点的能量消耗不均匀，导致内环某些簇头节点因转发数据量过大而过早“死亡”，从而影响整个网络的稳定性.为了解决这个问题，笔者提出依据能耗均衡原则选择下一跳路由节点.所谓能耗均衡原则，就是能量低的簇头在选择下一跳路由节点时选择距离近的簇头节点，能量高的节点选择距离远的簇头节点作为下一跳路由节点.具体算法描述为：第（k＋1）环中的簇头节点接收到第k环簇头节点发送来的CH＿ELECTED＿MSG消息后，根据自身位置计算与第k环内簇头之间的距离d.第（k＋1）环中的簇头首先选择距离d最小的第k环内簇头作为下一跳路由节点，第k环中的簇头节点将选择自己作为下一跳路由的第（k＋1）环中的簇头节点放入集合R－NODE中，然后集合中的节点数大于2个时，集合中的节点比较彼此的能量大小，能量最大的节点退出该集合，选择距离自己次近的第k环中簇头作为下一跳.以此类推，直到所有簇头节点选择到合适的下一跳路由节点.2.4 算法流程CBSM算法的运行过程主要分为3个阶段：分区、簇头选择和数据传输.其中数据传输阶段按照TDMA方式，簇内不同节点按照事先划分的时隙向簇头传输数据，TDMA信息包含在簇头建立阶段发送的广播消息CH＿ELECTED＿MSG中.具体流程如图2所示.仿真环境采用Matlab2008a，仿真算法包括LEACH，RBMC和CBSM.笔者对节点总数N＝1 000、区域半径为R＝240的场景进行了仿真，整个感知区域分为4个等宽的环，从最内层第1环到最外层第4环最优簇头数目分别为m1＝8，m2＝13，m3＝17，m4＝21.仿真主要参数见表1.当网络中出现节点死亡时，网络性能就会下降，网络的拓扑结构、数据检测率等都会变差，网络开始变得不稳定.因此，文中区别于传统算法中以所有节点死亡时间作为网络的生命周期，而采用首节点和一半节点死亡时间来衡量网络的生命周期. 图3分别是CBSM算法与LEACH算法、RBMC算法存活节点数随网络运行轮数的变化曲线.表2是3种算法首节点和一半节点死亡时的对应轮数.从表2可以看出，以一半节点死亡时间来衡量网络生命周期时，CBSM算法的网络生存周期比LEACH算法提高了约414%，比RBMC算法提高了约97%；若以首节点死亡时间来衡量网络生命周期，则CBSM算法分别比LEACH算法和RBMC算法提高了约177%和123%，显著地延长了网络的生命周期.图4显示了CBSM算法和LEACH算法簇头数目变化曲线，SBMC算法的簇头数目变化规律与LEACH算法相同.由图4可知，CBSM算法簇头数目与LEACH算法相比相对较稳定.簇头数目稳定才能保证将区域内节点采集的信息转发到基站，保持簇头数目的稳定在一定程度上提高了整个网络的稳定性.通过对典型分簇算法LEACH及其改进算法RBMC的分析，提出了CBSM算法.CBSM算法将整个网络区域划分为规模大小不同的固定小区，每个小区作为一个簇，有效地控制了网络的拓扑结构；同时采用基于节点剩余能量和节点位置的代价函数选举簇头，延长了网络的生命周期，提高了网络的稳定性.【相关文献】［1］ SOHRABI K.Protocols for Self－Organization of a Wireless Sensor Network［J］.IEEE Personal Communications，2000，7（5）：16－27.［2］ HEINZELMAN W R，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.Energy－Efficient Communication Protocol for Wireless Micro－Sensor Networks［C］／／Proceedings of IEEE 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２ Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ路由机制 ｇ
分别为星状网 、 树 Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ有 ３ 种网络拓扑形式 ， ｇ 状网和网 状 网 ． Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ网 络 中 节 点 可 以 分 为 ３ 种 类 ｇ ， 、 型： Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ协调器 （ Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ Ｃ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ Ｚ Ｃ） Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ ｇ ｇ ｇ ， 路由节 点 （ 和Ｚ Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ Ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｚ Ｒ） ｉ Ｂ ｅ ｅ终 端 节 点 ｇ ｇ （ ， ， 其中 ， Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ Ｅ ｎ ｄ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ Ｚ Ｅ Ｄ） Ｚ Ｃ和Ｚ Ｒ 属于全 ｇ ， ， 功能设备 （ 可以与 Ｆ Ｆ ｕ ｌ ｌ Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ Ｆ Ｆ Ｄ） Ｆ Ｄ ） 和Ｒ 进 行 通 信， Ｆ Ｄ（ Ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ Ｚ Ｅ Ｄ ， 属于简化功能 设 备 （ 只能和 Ｆ Ｒ Ｆ Ｄ） Ｆ Ｄ 进 行 通 信， 每个网络中只能有一个 Ｚ 是一个网络的发起者并 Ｃ， 成为该网络的控制中心 ， 其它节点相应加入该网络 ． ２． １ Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ地址分配 ｇ Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ网络中的每个 节 点 都 有 一 个 ６ ４位扩展 ｇ 地址 和 一 个 １ ６ 位 短 地 址， ６ ４位扩展地址类似于 是 节 点 的 唯 一 标 识； Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ中的 ＭＡ Ｃ 地址 ， １ ６位 类 短地址由加入网络的节点的父节点进行动态分配 ， 似于Ｉ 仅用于路由机制和网络中的数据传输 ． Ｐ 地址 ， 协调器首先 规 定 ３ 个 参 数 ： 父节点最多可 Ｃｍ （ 、 、 网 络 的 最 大 深 度） 子 以连接的子 节 点 数 ） Ｌｍ （ Ｒｍ （ ， 节点中最多可以连接的路由节点数 ） 计算网络深度 为ｄ 的 父 节 点 为 其 子 节 点 分 配 地 址 时 的 偏 移 量 ， ） 具体如式 （ 所示 ． Ｃ ｓ ｋ ｉ ｄ） １ ｐ（ ） ， １＋Ｃｍ （ Ｌｍ －ｄ－１ Ｒｍ ＝１ 烄 Ｌ －ｄ－１ （ ） ｍ Ｃ ｓ ｋ ｉ ｐ ｄ ＝烅 １＋Ｃｍ －Ｒｍ －Ｃｍ ·Ｒｍ ， 其它 １－Ｒｍ 烆 （ ） １ 只有 当 偏 移 量 大 于 ０ 时 ， 该节点才具有为其子 即允许子节点的加入 ． 具 节点分配网络地址的能力 ， 体分配机制如下 ： （ ） 协调器将自身地址设置为 ０， 网络深度设置 １ 为 ０． （ ） 假设父节 点 的 地 址 为 Ａｐ ， 当 其 第ｉ 个 路 由 ２ 节点 加 入 时 ， 分配的地址如式（ 所 示， 其 中 １ ２）
第３ ６ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｃ ＯＭＰ ＵＴ Ｅ Ｒ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． ３ Ｍ ａ ｒ ． ２ ０ １ ３
基于分簇机制的 Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ混合路由能量优化算法 ｇ
１ 引 言
； ） 、 收稿日期 ： 最终修改稿收到日期 ： 本课题得到国家自然科学基金 （ 教育部高等学校博士 学 科 点 专 项 科 ２ ０ １ １ １ ２ ２ ３ ２ ０ １ ２ ０ ２ ２ １． ６ １ ０ ７ １ ０ ７ ３ － － － － ） 研基金 （ 资助 ． 钱志鸿 ， 男， 博士 ， 教授 ， 博士生导 师 ， 主要研究领域为无线 传 感 器 网 络、 无 线 个 域 网、 物 联 网． ２ ０ ０ ９ ０ ０ ６ １ １ １ ０ ０ ４ ３ １ ９ ５ ７ 年生 ， ： 朱 爽， 女， 硕士 ， 中国计算机学会 （ 学生会员 ， 主要研究方向为 Ｚ 低速无线个域网 Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｄ ｒ ． ｚ ｈ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ． １ ９ ８ ８ 年生 ， Ｃ Ｃ Ｆ） ｉ Ｂ ｅ ｅ技术 、 ｑ ｇ 网络层 、 物联网 ． 王 雪， 女， 博士研究生 ， 主要研究方向为 Ｚ 物联网 ． １ ９ ８ ４ 年生 ， ｉ Ｂ ｅ ｅ技术 、 ｇ ／ ： ／ ／ ｈ ｅ Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ Ａ ｌ ｌ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ［ Ｅ Ｂ Ｏ Ｌ］ ． ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｚ ｉ ｂ ｅ ｅ ． ｏ ｒ ① Ｔ ｇ ｐ ｇ ｇ
如何优化 Ｚ 降低能量消耗一直是学 ｉ Ｂ ｅ ｅ路由 、 ｇ 者关注的热 点 ， 虽然 Ｚ 但网络 ｉ Ｂ ｅ ｅ技 术 优 势 很 多， ｇ 层却长 期 处 于 修 改 和 完 善 中 ， 因此有大量学者对 为物 Ｚ ｉ Ｂ ｅ ｅ路由算法的完 善 和 能 量 优 化 展 开 研 究 ， ｇ 联网的应 用 与 发 展 奠 定 了 很 好 的 理 论 基 础 ． Ｈ ａ和 Ｐ ａ ｒ ｋ等 人
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４ ８ ６
计 算 机 学 报
２ ０ １ ３年
高可靠性等特点 ， 在 智 能 家 居、 智 能 交 通、 医疗以及
１］ 工业自动化等方面都有广泛应用 ［ ．
１ ０］ ； 衡的设计方法 ［ 同时现有论文中 大 多 数 都 提 及 到
查找公共父节点的 概 念 ， 但几乎没有人给出如何根 据节点地址计算出其父节点地址的具体方法 ．
钱志鸿 朱 爽 王 雪
（ ） 吉林大学通信工程学院 长春 １ ３ ０ ０ １ ２
） 摘 要 针 对 Ｚ 和 ｉ Ｂ ｅ ｅ 路 由 协 议 没 有 很 好 结 合 ＡＯ Ｄ Ｖ ｒ（ Ａ ｄ ｈ ｏ ｃ Ｏ ｎ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ Ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ Ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｒ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ Ｊ ｕ ｎ ｉ ｏ ｒ －Ｄ ｇ ｊ ｇ 从 网 络 能 量 优 化 的 角 度 出 发， 文中设计了一种基于分簇机制的 Ｚ Ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ－Ｔ ｒ ｅ ｅ算法的问 题 ， ｉ Ｂ ｅ ｅ混 合 路 由 ｇ — —Ｃ 算法 — 簇间采用 ＡＯ 簇内采用 Ｃ 并通过计算目的节点的父节点地址等 Ｌ Ｚ Ｂ Ｒ 算法 ， Ｄ Ｖ ｒ算法 ， ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ－Ｔ ｒ ｅ ｅ算法 ， ｊ ） 方法 ， 减少网络中冗余的 Ｒ 分组 ， 降低能量消耗 ； 同时为了避免簇首由于能 量 过 度 消 耗 而 成 为 Ｒ Ｅ Ｑ（ Ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ Ｒ ｅ ｕ ｅ ｓ ｔ ｑ 失效节点 ， 该算法提出备用节点的概念 ， 当簇首能量过 低 时 代 替 簇 首 以 保 证 网 络 的 稳 定 性 ． 仿 真 结 果 表 明， Ｃ Ｌ Ｚ Ｂ Ｒ 算法相对 Ｚ 路由开销百分比和网络剩余能量百分比方面都有明显改善 ． ｉ Ｂ ｅ ｅ混合路由算法在包投递率 、 ｇ ； ； ； 关键词 Ｚ 分簇 ； 物联网 ｉ Ｂ ｅ ｅ ＡＯ Ｄ Ｖ ｒ Ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ－Ｔ ｒ ｅ ｅ ｇ ｊ ／ 中图法分类号 Ｔ Ｐ ３ ９ ３ Ｄ Ｏ Ｉ号 １ ０． ３ ７ ２ ４ Ｓ Ｐ． Ｊ ． １ ０ １ ６． ２ ０ １ ３． ０ ０ ４ ８ ５
（ ） Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ Ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ Ｊ ｉ ｌ ｉ ｎ， Ｃ ｈ ａ ｎ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ １ ２ ｇ ｆ ｇ ｇ， ｙ ｆ ｇ
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