ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層的路由算法分析

1、ZigBee妙技搜集層的路由算法闡收摘要尺度的ZigBee搜集是一種具有強(qiáng)年夜組網(wǎng)本收的新型無線個域網(wǎng)，其中的路由算法是研收事情的重面。本文介紹尺度及ZigBee范例的戰(zhàn)談模型，重面研討了ZigBee戰(zhàn)談搜集層的路由算法，闡收了Tree路由及Z-ADV路由算法，正在此底子上提出了ZigBee網(wǎng)格型搜集中基于數(shù)據(jù)特征的路由挑選機(jī)制，該機(jī)制正在搜集機(jī)能戰(zhàn)低功耗圓里有隱著的下風(fēng)，而且可以平衡節(jié)面能量，終了簡樸介紹了ZigBee節(jié)面的硬件真現(xiàn)。閉鍵1概述ZigBee妙技是由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、好國摩托羅推公司和荷蘭飛利浦等公司正在2002年10月配開提出謀劃研討開收的具有低本錢

2、、體積孝能量消耗小戰(zhàn)傳輸速度低的無線通信妙技。2000年12月，IEEE802無線個域網(wǎng)PAN，irelessPersnalAreaNetrk小組創(chuàng)立，努力于PAN無線傳輸戰(zhàn)談的創(chuàng)立。2022年12月，IEEE正式公布收表了該妙技物理層戰(zhàn)A層所采納的尺度尺度，做為ZigBee妙技的搜集層戰(zhàn)媒體接進(jìn)層的尺度戰(zhàn)談。2022年12月，ZigBee聯(lián)盟定義的物理層PHY戰(zhàn)媒體接進(jìn)層A的底子上定義了搜集層戰(zhàn)利用層，正式公布收表尺度戰(zhàn)談。2搜集層的研討ZigBee妙技的系統(tǒng)構(gòu)制慌張由物理層PHY、媒體接進(jìn)層A、搜集/安好層和利用框架層構(gòu)成，各層之間的分布如圖1所示。圖1ZigBee妙技戰(zhàn)談構(gòu)成PHY層的特

3、征是啟動戰(zhàn)封閉無線支收器、能量檢測、鏈路量量、疑講挑選、清掃疑講評價A和經(jīng)由過程物理媒體對數(shù)據(jù)包停頓收支戰(zhàn)汲與。A層可以真現(xiàn)疑標(biāo)辦理、疑講接進(jìn)、時隙辦理、收支確認(rèn)癥收支毗鄰及斷開毗鄰乞請，借為利用切開的安好機(jī)制供應(yīng)一些要收。它包羅具奇然間同步疑標(biāo)的可選超幀構(gòu)制，采納免碰碰的載波偵聽多址訪謁SA-A。安好層慌張真現(xiàn)稀鑰辦理、存與等成效。搜集層慌張用于ZigBee的LR-PAN網(wǎng)的組網(wǎng)毗鄰、數(shù)據(jù)辦理等。利用框架層慌張當(dāng)真背用戶供應(yīng)簡樸的利用硬件接心API，包羅利用子層支撐APSAppliatinSub-layerSupprt、ZigBee裝備工具ZDZigBeeDeviebjet等，真現(xiàn)利用層對裝

4、備的辦理，為ZigBee妙技的真踐利用供應(yīng)一些利用框架模型等，以便對ZigBee妙技的開收利用。搜集層的定義包羅搜集拓?fù)洹⑺鸭瘎?chuàng)立、搜集保護(hù)、路由及路由的保護(hù)。2.1ZigBee的搜集拓?fù)錁?gòu)制ZigBee定義了三種拓?fù)錁?gòu)制：星型拓?fù)錁?gòu)制Star，慌張為一個節(jié)面與多個節(jié)面的簡樸通信謀劃；樹型拓?fù)錁?gòu)制Tree，利用分等級的樹型路由機(jī)制；網(wǎng)格型拓?fù)錁?gòu)制esh，將Z-ADV戰(zhàn)分等級的樹型Tree路由相連開的混淆路由要收。三種拓?fù)錁?gòu)制如圖2所示。圖2搜集的三種拓?fù)錁?gòu)制ZigBee定義了三種裝備范例：ZigBee戰(zhàn)諧器ZigBeerdinatr，Z，用于初初化搜集疑息，每個搜集只要一個Z；ZigBee路由

5、器ZigBeeRuter，ZR，它起監(jiān)視或獨霸做用，但它也是用跳頻要收傳達(dá)疑息的路由器或中繼器；ZigBee終端裝備ZigBeeEndDevie，ZED，它只要監(jiān)視或獨霸成效，沒有克沒有及做路由或中繼之用。正在IEEE尺度中，ZED被稱為粗簡成效裝備Redued-FuntinDevie，RFD，Z戰(zhàn)ZR被稱做齊成效裝備Full-FuntinDevie，F(xiàn)FD。2.2搜集層路由算法的闡收覺得是最早的無線自組搜集路由戰(zhàn)談。DSDV正在傳統(tǒng)的distane-vetr算法的底子上采納了序列號機(jī)制，用于區(qū)分路由的新舊水仄，防范distane-vetr算法年夜要收死的路由環(huán)路。DSDV采納工夫驅(qū)動戰(zhàn)變亂驅(qū)

6、動妙技獨霸路由表的傳支，即每個挪動節(jié)面正在當(dāng)天皆保存一張路由表，其中包羅部分有用目的節(jié)面、路由跳數(shù)、目的節(jié)面路由序列號等疑息，目的節(jié)面路由序列號用于區(qū)分有用戰(zhàn)過期的路由疑息以制止環(huán)路的收死。DSRdynaisureruting戰(zhàn)談是最早采納按需路由思維的路由戰(zhàn)談，包羅路由創(chuàng)制戰(zhàn)保護(hù)兩個歷程。它的慌張?zhí)卣魇抢昧嗽绰酚蓹C(jī)制停頓數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)收。ADV(ad-hn-deanddistanevetr)戰(zhàn)談?wù)贒SDV戰(zhàn)談的逐跳路由、序列號、按期播支機(jī)制底子上，參減了DSR的按需路由創(chuàng)制戰(zhàn)保護(hù)機(jī)制。ADV正在每其中心節(jié)面隱式保存了路由乞請戰(zhàn)應(yīng)問的成效，并利用擴(kuò)大環(huán)搜刮expandingringresearh

7、的法子限制搜刮創(chuàng)制目的節(jié)面的范疇。ADV支撐組播成效，支撐QS，而且ADV利用IP所正在，便于同Internet毗鄰。但ADV基于單背疑講的假定，路由應(yīng)問數(shù)據(jù)包間接沿著路由乞請的反標(biāo)的目的回溯到源節(jié)面，果此沒有支撐單背疑講。與DSDV保存完好的路由表差異的是，ADV經(jīng)由過程創(chuàng)立按需路由去淘汰路由播支的次數(shù)，那是ADV對DSDV的慌張革新。與DSR比較，ADV的劣面正在于源路由其真沒有需要包羅正在每個數(shù)據(jù)包中，多么會消沉路由戰(zhàn)談的開消。ADV是一個天講的按需路由戰(zhàn)談，那些沒有正在途徑內(nèi)的節(jié)面沒有保存路由疑息，也沒有參減路由表的交流平衡路由正在ZigBee路由范例中出有過量的考慮能量獨霸，可是塞責(zé)

8、adh無線搜集去講，能量獨霸非?；艔?。果此提出了能量獨霸計策去革新ZigBee路由。它將使節(jié)面制止用盡部分能量以致于過早的落空做用。當(dāng)節(jié)面念要挑選途徑時，它將考慮途徑上的節(jié)面的盈余能量。Z-ADV算法是針對ADVAdh按需隔絕間隔 矢量路由戰(zhàn)談算法的革新，ADV是基于序列號的路由，它老是挑選最新的路由。Z-ADV是基于途徑的能量消耗的路由，考慮到節(jié)能、利用便當(dāng)性等果素，簡化了ADV的一些特征，但仍連結(jié)ADV的本初成效。正在路由挑選戰(zhàn)路由保護(hù)時，ZigBee的路由算法利用了路由本錢的襟懷要收去比力路由的好壞。假定一個少度為L的路由P，那么它的路由本錢為：為：其中，暗示從節(jié)面Di到節(jié)面Di+1的鏈

9、路本錢。塞責(zé)鏈路l，鏈路本錢可根據(jù)上里的表達(dá)式策畫：其中，pl為鏈路l中收支數(shù)據(jù)包的幾率。正在ZigBee范例中出有觸及到pl的詳細(xì)策畫要收。pl可經(jīng)由過程真踐策畫支到的疑標(biāo)戰(zhàn)數(shù)據(jù)幀去停頓估量，即經(jīng)由過程沒有俗觀沒有俗觀察幀的響應(yīng)序列號去檢測喪得的幀，那便但凡被覺得最準(zhǔn)確天測量汲與幾率的要收?？墒?，塞責(zé)部分的要收去講，最間接戰(zhàn)有用的要收均勻所策畫的值。即使利用其他要收，最后的本錢估量值也是基于均勻的LQI值?？梢愿鶕?jù)驅(qū)動函數(shù)表去映照均勻LQI值與l值的閉連睹表1。表1LQI值與鏈路本錢的閉連能量平衡運算要考慮很多果沒有斷挑選路由。那些果素包羅附遠(yuǎn)節(jié)面的能量、節(jié)面本身的能量戰(zhàn)鏈路量量。盈余能量E

10、lal可以正在每個ZigBee幀中的保存域收支，多么每個節(jié)面皆能獲得它的鄰居節(jié)面最新的能量分派包羅設(shè)置樹型所正在戰(zhàn)樹型所正在的路由。當(dāng)戰(zhàn)諧器創(chuàng)立一個新的搜集，它將給本人分派搜集所正在0，搜集深度Depth0=0。假設(shè)節(jié)面i念要參減搜集，而且與節(jié)面k毗鄰，那末節(jié)面k將稱為節(jié)面i的女節(jié)面。根據(jù)本身的所正在Ak戰(zhàn)搜集深度Depthk，節(jié)面k將為節(jié)面i分派網(wǎng)絡(luò)所正在Ai戰(zhàn)搜集深度Depthi=Depthk+1。搜集深度暗示僅僅采納女子閉連的搜集中，一個傳支幀傳支到ZigBee戰(zhàn)諧器所傳達(dá)的最小跳數(shù)。ZigBee戰(zhàn)諧器本身深度為0，而它的子裝備深度為1。圖3為ZigBee樹型構(gòu)制。參數(shù)nkaxhildr

11、en()暗示路由器或戰(zhàn)諧器正在搜集中答應(yīng)具有子裝備數(shù)目的最年夜值。參數(shù)nkaxRuters(R)暗示子節(jié)面中路由器的最年夜個數(shù)，而剩下的裝備數(shù)為終端裝備數(shù)。圖3ZigBee樹型構(gòu)制一個新的RFD節(jié)面i，它出有路由本收，它與戰(zhàn)諧器毗鄰做為戰(zhàn)諧器的第n個子節(jié)面。根據(jù)它的深度d，女節(jié)面k將為子節(jié)面i分派搜集所正在：Ai=Ak+skipdR+n其中1n-R假設(shè)是新的子節(jié)面FFD，它有路由本收，女節(jié)面k將給它分派搜集所正在：Ai=Ak+1+skipdn-1其中，沒有然，參數(shù)nkaxDepth(L)暗示搜集的最年夜深度。假定一個路由器背搜集所正在為D的目的所正在收支數(shù)據(jù)包，路由器的搜集所正在為A，搜集深度

12、為d。路由器將起尾經(jīng)由過程表達(dá)式：ADA+skip(d-1)斷定該目的節(jié)面能可為本人的子節(jié)面。假設(shè)目的節(jié)面是本人的子節(jié)面，那么下一跳節(jié)面的所正在為：沒有然闡收根據(jù)上文對Tree戰(zhàn)Z-ADV兩種路由算法的闡收，正在我們的ZigBee搜集中將二者連開，利用Z-ADV戰(zhàn)分等級的樹型Tree路由相連開的混淆路由要收，構(gòu)成網(wǎng)格型拓?fù)錁?gòu)制esh的搜集。詳細(xì)真現(xiàn)要收是正在數(shù)據(jù)幀幀頭的DisverRuter域指定路由。該域可以是以下三種值：抑制路由創(chuàng)制：它利用曾經(jīng)存正在的路由表。當(dāng)路由表中出有響應(yīng)的目的節(jié)面的所正在時，參數(shù)nkUseTreeRuting的值為TRUE，搜集將利用樹型路由。使能路由創(chuàng)制：假設(shè)正在

13、路由表中有路由所正在，將根據(jù)該路由表停頓路由。沒有然，路由器將利用Z-ADV路由算法初初路由創(chuàng)制。假設(shè)該節(jié)面出有初初路由創(chuàng)制的本收，它將利用樹型路由。逼迫路由創(chuàng)制：沒有管能可有響應(yīng)的路由表，節(jié)面皆逼迫利用Z-ADV路由算法初初化路由創(chuàng)制。正在ZigBee范例中提出了將ADV戰(zhàn)Tree路由混淆的路由機(jī)制。但正在ZigBee范例中并出有闡收如何設(shè)置參數(shù)去挑選路由計策，出有使二者平衡的謀劃要收。根據(jù)上里Tree路由戰(zhàn)Z-ADV的闡收，我們提出了基于數(shù)據(jù)特征的路由要收，即正在兩種路由算法構(gòu)成的網(wǎng)格型搜集中，根據(jù)節(jié)面間傳輸數(shù)據(jù)特征的差異，經(jīng)由過程設(shè)置數(shù)據(jù)幀幀頭的DisverRuter域，挑選差異的路由要

14、收。塞責(zé)綁縛型的持絕數(shù)據(jù)，ZigBee利用層應(yīng)挑選利用使能路由的要收。即采納Z-ADV路由起初創(chuàng)立路由創(chuàng)制，然后挑選跳數(shù)少的路由，成為最好途徑；塞責(zé)收做型的沒有持絕數(shù)據(jù)那么利用抑制路由創(chuàng)制的要收，即正在路由表中出有響應(yīng)的目的節(jié)面的所正在時，采納Tree路由要收。因為那種路由沒有需要創(chuàng)立路由表，果此對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)響應(yīng)較快。圖4為節(jié)面汲與到上層或其他節(jié)面收支的數(shù)據(jù)包時，搜集層處置懲獎步伐的流程圖。圖4路由算法流程圖2.3總結(jié)Tree路由是一種由搜集戰(zhàn)諧器展開天死樹狀搜集的拓?fù)錁?gòu)制，得當(dāng)于節(jié)面靜止年夜要挪動較少的場所，屬于靜態(tài)路由，沒有需要存儲路由表。樹型路由對傳輸數(shù)據(jù)包的響應(yīng)較快，因為樹型路由沒有需

15、要創(chuàng)立路由表。其缺陷是所挑選的路由并沒有是是最好的路由，沒有克沒有及獲得最巷子由。樹型路由有用于收做型的數(shù)據(jù)傳輸。Z-ADV需要起初創(chuàng)立路由創(chuàng)制，然后挑選跳數(shù)少的路由，成為最好途徑。Z-ADV有用于持絕的數(shù)據(jù)傳輸。正在ZigBee范例中，謀劃了Z-ADV戰(zhàn)Tree路由混淆的路由計策，那里我們提出了基于數(shù)據(jù)效勞的ZigBee路由挑選計策。根據(jù)上述闡收可以看出，那種路由挑選機(jī)制正在搜集機(jī)能戰(zhàn)低功耗圓里有隱著的下風(fēng)；而且根據(jù)能量獨霸機(jī)制，可以有用天平衡節(jié)面能量，制止節(jié)面耗盡能量而過早天落空做用。3ZigBee模塊硬件謀劃模塊散無線支收器、微處置懲獎器、存儲器戰(zhàn)用戶API等硬硬件于一體，可真現(xiàn)1.0版ZigBee戰(zhàn)談棧的成效。圖5ZigBee模塊框圖圖5是模