基于邻居表查询的ZigBee多播路由算法

基于邻居表查询的ZigBee多播路由算法

白乐强;王佳林;张士宏

【摘要】由于ZigBee网络需要将信息以多播的方式进行传递,部分节点多次传输消耗大量能量,导致节点死亡,为缓解这个问题,提出了基于邻居表查询的ZigBee多播路由算法.该算法结合邻居表查询和ZigBee分布式地址分配特性,对ZigBee网络多播转发节点选择进行优化,使一个节点能给多个目的节点转发信息.仿真结果证明该算法减少了路由开销,节约了网络的能量,提高了网络的可靠性.%Due to lot of the ZigBee network information needs to be sent by the ways of multicast,parts of the nodes consume a large amount of energy in multiple transmissions,resulting nodes failure.To alleviate this problem,a ZigBee multicast routing algorithm based on neighbor table query is presented.The algorithm combines with neighbor table query and the ZigBee distributed addressing assignment scheme,making a node send the information to more destination nodes.The simulation results show that the algorithm reduces routing cost,economizes the energy of the ZigBee network and improves the reliability of the network.

【期刊名称】《沈阳大学学报》

【年(卷),期】2012(024)006

【总页数】5页(P38-42)

【关键词】ZigBee;邻居表;多播通信;路由选择;网络

【作者】白乐强;王佳林;张士宏

【作者单位】沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168

【正文语种】中文

【中图分类】TP301.6

ZigBee是一种开放性的低功耗、低成本、低数据速率、低复杂度、低分本、自组织的新型短距离无线通信技术［1］，是基于IEEE802.15.4标准的个域网协议［2］.ZigBee采用IEEE802.15.4制定的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）制定的标准，ZigBee的高层标准采用ZigBee联盟制定的网络层（NWK）、应用层（APL）等.ZigBee设备可以分为ZigBee协调器（ZC）、ZigBee路由（ZR）、ZigBee终端设备（ZED）等三种.由于ZigBee网络是自组织网络，每个路由节点对于整个网络通信的可靠性都起到关键性作用，工作方式不当造成的节点失效会造成网络的部分瘫痪，所以改进ZigBee传输算法是提高ZigBee网络可靠性的有效方法.

文献［3］提出多播树传动比算法，该算法是量化了多播树的成本，考虑无线多播信道的链路质量，以及无线多播的特点提出的一种算法.文献［4］提出的网型多播算法是一种考虑到节约能量的无线传感器算法.针对节点移动的无线传感网络文献［5］提出了智能多播路由器发现机制的移动多播，文献［6］提出了本地树更改多播协议.对于实时性文献［7］提出了实时多跳无线多播路由算法，这些算法都适用于Ad-hoc形式网络，不能直接在WSN中应用，因为这些算法都是对于高存储高计算节点来设计的，文献［8］提出适用于ZigBee网络的多播算法、Z-CAST 路由算法.然而Z-CAST算法是根据树形结构路由表转发原理基础上进行信息的传

送，在提高使用节点能量优化方面没有进行考虑.

本文在Z-Cast算法基础上，针对转发多播信息过程中转发节点的浪费问题提出了ZigBee邻居多播路由算法（ZNMR）.该算法综合考虑目的节点的位置及规模来选择转发路径，对不同形式的多播组采用不同的路由算法，算法计算量小，适用于ZigBee网络多播信息的发送.

1 模型的建立

1.1 分布式地址分配

ZigBee网络同其他无线传感器网络主要的不同之处在于其采用地址分配方式，它给每个潜在父节点提供一个有限的网络地址子块.整个网络的地址在一个特定的网络内是唯一的，由一个父节点分配给它的子节点.分配方案由分布式算法根据一系列网络自定义参数确定，网络协调者决定了整个网络的最大子设备数.每个设备有一个相关的深度，表示只使用父子链路传输的一个帧到达ZigBee协调器，必须经过的最少跳数.其中协调者自身的连接深度为0，其直接子设备为1.ZigBee协调器首先根据需要规定3个参数：网络的最大深度nwkMaxDepth（Lm），一个父节点可以有的子节点最大个数的值nwkMaxChildren（Cm）和一个父节点可以有的路由器子节点的最大个数nwkMaxRouters（Rm），其中Cm 应大于等于Rm，这样就可以保证协调器或者路由器可以连接至少Cm-Rm个终端节点.网络深度为d的路由节点所能分配的地址空间Cskip（d）满足公式（1）

如果一个父节点它的深度是d，它的地址是Aparent，那么第n个子路由节点的地址如公式（2）：

而它的第n个子节点地址如公式（3）：

一个Cskip（d）值大于0的父节点设备必须接收子节点设备，根据子节点设备是否具有路由器功能，并给它们分配不同的地址.一个父节点给它的第一个路由功能

子节点设备分配一个地址1，大于它自己的地址.ZigBee协调器为每一个ZigBee

设备分配了一个固定的ID.并且每一个ZigBee节点不仅记录了父节点与子节点ID，而且记录了自己一跳邻居节点的ID.

1.2 ZigBee网络转发模型

Z-Cast的树形路由算法是根据父子关系进行信息转发，不需要路由选择，如图1

所示，图中S为信息源节点，N3、N5、N6、N8、N10、N11为目的节点，ZC

为协调器，信息从S向外转发.转发过程如虚线箭头所示，S通过N1、N2将信息

发送给协调器，协调器再根据目的地址发送给子路由，最终信息到达目的节点.

图1 树形路由算法的信息转发路径选择示意图Fig.1 Schematic diagram of Tree routing algorithm forwarding path selection

该算法有两个问题，一是即使目的节点是信息源的邻居节点，多播信息也会根据父子逻辑关系，经过多跳才到达目的节点.二是该多播方法会消耗过多路由，尤其是Lm较小的节点.ZigBee邻居多播路由算法针对这两个问题进行了改进.信息源在转发信息之前首先给自己的邻居节点发送目的地址判断信息，邻居节点根据自己的邻居表来判断周围是否存在目的节点，根据存在情况选择是否接受信息源节点信息并转发.如图2所示，S将信息转发给N1、N4，两节点分别将信息转发给N3、

N5.N5没有直接将信息转发给目的节点N6，而是转发给邻居节点中目的节点较多的N7节点，如此做可以节约转发路由数量及转播跳数，提高了网络的转发效率.

图2 ZigBee邻居多播路由算法的多播信息转发路径选择示意图Fig.2 Schematic diagram of ZigBee neighbor multicast routing algorithm forwarding path selection

2 ZigBee邻居多播路由算法