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1、第 35 卷第 3 期计 算机 工 程2009 年 2 月Vol.35No.3ComputerEngineeringFebruary 2009网络与通信文章编号： 10003428(2009)03016103文献标识码： A中图分类号： TP393基于 ZigBee 网状网络的分簇路由协议刘瑞霞，李春杰，郭强，魏诺，孔祥龙(山东省计算中心，济南250014)摘要： ZigBee 是一种短距离、低速率无线网络通信技术，ZigBee 网状网的路由是建立在AODV 协议基础上的。采取一种有效的路由协议并能减少路由的负载对于整个网络的负荷的减小非常关键。在ZigBee 网状网的基础上，对AODV 路由
2、协议进行改进，提出一种新型的分簇路由协议 AODV_Cluster ，把整个 ZigBee 网络分成多个簇，一个簇的标签是根据簇首的短地址来实现的，而且同一个簇内的路由信息共享。仿真结果表明，协议既保持了 AODV 的优点，又提高了网络的可扩展性能，特别是在网络的节点数较多时，性能明显优于 AODV 。关键词： AODV 协议；路由协议； ZigBee 技术； AODV_Cluster 协议；仿真Cluster Routing Protocol Based on ZigBee Mesh NetworkLIU Rui-xia,LI Chun-jie, GUO Qing, WEI Nuo, KON
3、G Xiang-long(ShandongComputing ScienceCenter,Jinan250014)【 Abstract 】 ZigBee focuseson short-haul, low data rate. Themesh routing protocol for ZigBee is built on theAODV, adopting an effective routing protocol and reducing overhead for route discovery may interfere with network traffic. Based on the
4、 ZigBee mesh network, this paper improvesAODV route protocol, and proposesa new AODV_Cluster rouote protocol. AODV_Cluster divides the ZigBee network topology into one or more logical clusters. A cluster label usesthe ZigBee addressallocation, and the one cluster can sharea new routing. Simulation s
5、hows this protocol not only keepstheAODV merit, but also advancesthescalability. Especially in densenetwork, its performance excellsAODV.【Key words 】AODV protocol; routing protocol; ZigBee technology; AODV_Cluster protocol; simulation1 概述ZigBee 网状网技术结合了来自ZigBee 技术和网状网技术中的许多优势，如 ZigBee 技术中的低功耗、电池寿命长、
6、组网成本低、 网络容量大等， 还有网状网技术中的多跳技术、动态路由、高可靠性等。但是， ZigBee 网状网技术也有一定的缺陷，如不适合传输大量数据，只能进行低速数据传输；虽然扩大了网络的覆盖范围，但是过多的节点会增加消息传递的延迟和通信的开销等 1 。目前无线传感器网络的网状网的实现是以 AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector) 路由方式为基础的，网状网络之所以有这么高的可靠性，主要依赖于多跳技术多跳是指数据不断从一个节点跳到另一个节点。因为数据从一个节点不断传送到另一个节点，又因为网状网络有好多节点，所以任何一个节点到另一个节点之间的路径总是不止一条。结
7、果，要是某个节点因某种原因出了故障，从其他节点发来的数据包就可以绕开它，走另一条路径到达目的地。根据无线网状网络的特点，采用何种路由选择策略使得网络吞吐量最大，可扩展性较好，成为无线网状网络研究的一个关键性问题。ZigBee 采用按需路由算法 AODV ，在节能和网络性能上都有着很大的优势 2 。AODV 路由协议是无线网络中最经典和最广泛地被研究的按需路由协议之一。它的主要特点是使用系列号来标识一条路由的新旧程度，同时也利用系列号来3避免路由环的产生 。为了减少传输数据的首次延时， AODV 允许具有积极路由的中间节点直接响应路由请求。当节点探测到路由失败后， 该节点可以先进行局部修复， 修
8、复不成功，再发送错误报告给上游节点，以便源节点重新建立路由。AODV 协议大大提高了无线传感器网络的路由效率，然而由于 AODV 协议比较简单，因此还存在着各种各样的问题4 。AODV路由协议在通常情况下能工作得很好，但当节点数较多时，协议的性能就会急剧下降，这是因为AODV 的路由发现本质上还是使用泛洪方式的扩散法，当网络规模较大、节点数较多时， RREQ 等路由控制报文激增，导致网络超负荷运行和拥塞，大大降低了网络的性能。因此，减少网络中路由报文的数量，是提高性能的关键。本文提出了一种基于AODV的分簇策略，即AODV-Cluster。所谓簇，就是具有某种关联的网络节点组成的集合，在簇内，
9、通常有一个按一定的规则选举产生的、被称为簇头的节点，用于管理或控制这个节点集合，除簇头节点外，簇内的其他节点可以被称为成员节点，具有可扩展性好、便于管理等特点 5 。2 路由协议设计2.1协议概述由于 AODV 是一个被广泛接受的路由协议， 因此在设计协议的时候， 在充分考虑了 AODV 协议的优点基础上又提高了 协 议 的 可 扩 展 性 ， 以 适 合 更 大 规 模 的 网 络 。 在 AODV_Cluster 协议中，保留了 AODV 的所有的控制报文，如 RREQ 报文和 RREP 报文，并根据需要又增加了一些新的路由控制报文，如簇首广播报文、路由更新报文等。在刚开始路由发现的时候采
10、用了 AODV 的泛洪式路由发现机制， 先基金项目： 山东省科技攻关计划基金资助项目(2005GG4201017)作者简介： 刘瑞霞 (1976)，女，助理研究员，主研方向：无线传感器网络，测控网络；李春杰，助理研究员；郭 强，博士；魏 诺、孔祥龙，助理研究员收稿日期： 2008-06-20E-mail ：161 广播 RREQ 包的方式来找目的节点，只不过在形成路由过程目的办法来确认节点数最多的点为簇首，这个节点的短地址以后，则同一个簇内的节点都共享这条路由信息，从而减少号则为这个簇的标签，节点一旦成为簇首节点，则向它的周了整个网络的路由开销。围节点发送簇首广播报文，收到的节点在自己不是簇首
11、的情本协议在设计的时候首先把整个ZigBee 网络分成多个况下发送簇加入报文， 然后簇首发送应到后， 即加入到该簇。簇，每个簇又有多个节点组成，这些节点按功能又分成3 种簇首节点则维护一个所有簇成员列表，簇成员节点则维护一类型的节点：簇首 (Cluster Head)，簇成员 (Cluster Member)和个簇首节点表。网关节点 (Gateway)，簇首作为簇的中心负责路由过程建立后短地址的计算是根据这几个参数来得出的：父设备拥有向簇内成员广播和簇结构的建立，收集簇成员的数据，经融子设备数量的最大值 Cm，网络的最大深度为Lm，父设备将合处理后发送给网关节点。由路由器作为它的子设备的最大数
12、为Rm。网关 Gateway，即2.2 簇的形成位于两个或者多个簇域重叠区域的非簇首节点，这些节点将AODV_Cluster 把 ZigBee 网络分成多个簇组成，则簇的相邻接的簇首连接起来，形成多跳路由路径，如图2 所示。划分有一个方法，这个方法是在下面的规则基础上建立的：(1)中心节点是一个簇首。(2)簇首必须是有路由能力的节点，且网络深度为偶数的节点。(3)深度为奇数的节点则属于它的父节点的簇。(4)终端节点的簇属于它的父节点的簇。簇首建立过程如图1 所示。取得网络深度判定是否N为偶数？图 2分簇后的 ZigBee 网络Y发送 RREQ收到响应RSSI Min ？NY加入到父节点的簇丢弃
13、加入到邻居表邻居表节点N数最多？Y簇首监听簇首广播发送簇首广播报文收到响应后维收到响应后维护簇首列表护成员列表2.3路由发现过程AODV_Cluster 的路由请求过程类似于 Z_AODV 的方式，当源节点有数据要发送给目标节点时，它首先在自己的路由表中查寻到目标节点的路由，如果路由存在并且有效，则立刻开始发送数据；如果相应的路由不存在或者路由存在但已经标明为无效时， 源节点就开启一个泛洪路由发现过程。源节点创建一个路由请求包 RREQ，并向其周围节点广播，如果邻居节点收到 RREQ，则根据上述计算簇标签的方法计算出目的节点的簇标签后，则在它的邻居表中增加一个这个簇标签的路由接入点，并在路由查
14、找表中增加一个目的节点的网络地址的路由接入点，当中间节点收到RREQ 的时候，则与它的路由搜索表中的路由成本进行比较，如果这个路由成本比较低的话，则更新路由搜索表。然后继续广播，直到到达目的节点为止。路由请求过程如图3 所示。图 1簇首的建立过程簇建立的过程是在路由发现开始的时候形成的，根据节点分布的密集度来划分。最后选为簇首的节点的短地址即是该簇的标签。为了更合理地划分簇，而且根据 ZigBee 网状网的特点，在隔一个深度的基础上划分，因为中心节点的深度为 0，而且中心节点是一个簇首，所以选择了深度为偶数的路由节点里面选择一个簇首，而且每个簇的标识就是这个簇的簇首的短地址，比如以中心节点为簇
15、首的一个簇，簇标识为 0x00，除了中心节点为簇首形成一个簇以后，其他的簇首的选举则是根据周围节点的分布情况来确定的，本文采用了根据判断信号强度 RSSI 的办法来确定节点的密集程度，在成簇的最初阶段，先判断网络深度，网络深度为偶数的节点在向外广播 RREQ 的时候，收到的节点都要向源节点发送一个确认信息，则发送 RREQ 的源节点把收到的确认信息根据所限定的最小信号强度值来判断，如大于这个值，则把这个节点放在邻居表里，则最后根据比较邻居表里周围节点的数 162图 3路由请求过程目标节点收到路由请求后，不再广播路由请求，它先建立反向路径，产生一个RREP，RREP 中含有最新的系列号等信息，沿
16、反向路径单波给源节点。中间节点和源节点在收到 RREP 后会建立到目标节点的路由，并更新系列号等有关的信息。源节点收到 RREP 后即建立路由并开始传输数据。当这个路由过程建立完毕后，则原节点向它的簇首发送一个携带有路由信息的路由确认包 RNOT(Rote Notify) ，当簇首收到 这 个 确 认 包 以 后 ， 则 簇 首 再 广 播 一 个 路 由 更 新 包 RUPT(Route Update)，当它的簇员收到这个信息后，则共享刚才节点新建立的路由信息。例如网络地址为 0x0A 地址的节点要发送数据到目的地址为 0x17 的节点，则先对外广播 RREQ 包直至到达目的节点，然后目的节
17、点再发送 RREP 包确认，当源节点收到 RREP 响应后，则发送 PNOT 到网络地址为 0x02 的簇首节点， 然后由簇首节点在对外广播， 标签为 0x02 的簇里面的路由节点则都可以共享这个路由信息，如图 4 所示。0x040x050x030x160x17GW 0x010x28CH0x020x15 CH0x0ACH 0x00GW0x140x180x060x290x19CL=0x020x2A0x27CL=0x15CH:Cluster headCL=0x00CordinatoRREQCL:Cluster labelrGW:GatewayRREPRouterRFDPUPTPNOT图 4 AOD
18、V_Cluster 的实例在数据传输阶段， 簇成员一般只与自己的簇首进行通信，由簇首负责数据的转发。分簇算法既保证了原有覆盖范围内的数据通信，又在很大程度上节省了节点的能量。分簇思想具有很多优点，例如，由簇首节点负担数据融合的任务，减少了数据通信量分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络由于大部分簇内节点在相当长的时间内关闭通信模块，不参加数据转发过程，因此显著地延长整个网络的生存时间。3 仿真及结果为了便于比较， 在相同的仿真环境下分别运行 AODV 和 AODV-Cluster 的仿真程序并比较仿真结果， 图 5 显示了报文发送成功率，从途中可以明显看出 AODV-Cluster 协议的数据报文发送成功率要高于 AODV 协议。图 6端到端延时的比较两协议路由负载的比较如图 7 所示。这是根据每成功发送一个数据报文网上需传递的路由控制报文的数量来绘制的。这里所说的路由控制报文包括网上传输的 RREQ, RREP, RERR 和 Hello 报文， AODV-Cluster 还包括簇首广播、路由确认包等。从图 6 中也可看到， AODV 在节点数超过 120 时路由负载急剧增加，而 AODV-Cluster 增加相对较为缓慢。这也证明了 AODV-Cluste 协议 r 确实能有效降低路由控制报文的数量。163