基于aodv協(xié)議的zigbee路由技術(shù)

基于aodv協(xié)議的zigbee路由技術(shù)

1無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)分簇策略的提出zigba網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將zigba技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，如zigba技術(shù)的油耗、電池壽命長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)成本低、網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)等。此外，zigba技術(shù)還具有多跳轉(zhuǎn)技術(shù)、動(dòng)態(tài)路徑和高可靠性等。但是，ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)也有一定的缺陷，如不適合傳輸大量數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行低速數(shù)據(jù)傳輸；雖然擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但是過多的節(jié)點(diǎn)會(huì)增加消息傳遞的延遲和通信的開銷等。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)是以AODV(Ad-hocOn-demandDistanceVector)路由方式為基礎(chǔ)的，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之所以有這么高的可靠性，主要依賴于多跳技術(shù)——多跳是指數(shù)據(jù)不斷從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)閿?shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，又因?yàn)榫W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有好多節(jié)點(diǎn)，所以任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑總是不止一條。結(jié)果，要是某個(gè)節(jié)點(diǎn)因某種原因出了故障，從其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包就可以繞開它，走另一條路徑到達(dá)目的地。根據(jù)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用何種路由選擇策略使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，可擴(kuò)展性較好，成為無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)關(guān)鍵性問題。ZigBee采用按需路由算法AODV，在節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)性能上都有著很大的優(yōu)勢(shì)。AODV路由協(xié)議是無線網(wǎng)絡(luò)中最經(jīng)典和最廣泛地被研究的按需路由協(xié)議之一。它的主要特點(diǎn)是使用系列號(hào)來標(biāo)識(shí)一條路由的新舊程度，同時(shí)也利用系列號(hào)來避免路由環(huán)的產(chǎn)生。為了減少傳輸數(shù)據(jù)的首次延時(shí)，AODV允許具有積極路由的中間節(jié)點(diǎn)直接響應(yīng)路由請(qǐng)求。當(dāng)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到路由失敗后，該節(jié)點(diǎn)可以先進(jìn)行局部修復(fù)，修復(fù)不成功，再發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告給上游節(jié)點(diǎn)，以便源節(jié)點(diǎn)重新建立路由。AODV協(xié)議大大提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由效率，然而由于AODV協(xié)議比較簡(jiǎn)單，因此還存在著各種各樣的問題。AODV路由協(xié)議在通常情況下能工作得很好，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，協(xié)議的性能就會(huì)急劇下降，這是因?yàn)锳ODV的路由發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上還是使用泛洪方式的擴(kuò)散法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，RREQ等路由控制報(bào)文激增，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)超負(fù)荷運(yùn)行和擁塞，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，減少網(wǎng)絡(luò)中路由報(bào)文的數(shù)量，是提高性能的關(guān)鍵。本文提出了一種基于AODV的分簇策略，即AODV-Cluster。所謂簇，就是具有某種關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的集合，在簇內(nèi)，通常有一個(gè)按一定的規(guī)則選舉產(chǎn)生的、被稱為簇頭的節(jié)點(diǎn)，用于管理或控制這個(gè)節(jié)點(diǎn)集合，除簇頭節(jié)點(diǎn)外，簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)可以被稱為成員節(jié)點(diǎn)，具有可擴(kuò)展性好、便于管理等特點(diǎn)。2關(guān)于路由協(xié)議的設(shè)計(jì)2.1拉格爾在微信站以及將其所建由于AODV是一個(gè)被廣泛接受的路由協(xié)議，因此在設(shè)計(jì)協(xié)議的時(shí)候，在充分考慮了AODV協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上又提高了協(xié)議的可擴(kuò)展性，以適合更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。在AODV＿Cluster協(xié)議中，保留了AODV的所有的控制報(bào)文，如RREQ報(bào)文和RREP報(bào)文，并根據(jù)需要又增加了一些新的路由控制報(bào)文，如簇首廣播報(bào)文、路由更新報(bào)文等。在剛開始路由發(fā)現(xiàn)的時(shí)候采用了AODV的泛洪式路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，先廣播RREQ包的方式來找目的節(jié)點(diǎn)，只不過在形成路由過程以后，則同一個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都共享這條路由信息，從而減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由開銷。本協(xié)議在設(shè)計(jì)的時(shí)候首先把整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)簇，每個(gè)簇又有多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)按功能又分成3種類型的節(jié)點(diǎn)：簇首(ClusterHead)，簇成員(ClusterMember)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(Gateway)，簇首作為簇的中心負(fù)責(zé)路由過程建立后向簇內(nèi)成員廣播和簇結(jié)構(gòu)的建立，收集簇成員的數(shù)據(jù)，經(jīng)融合處理后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。2.2打造更合理的網(wǎng)絡(luò)配置AODV＿Cluster把ZigBee網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)簇組成，則簇的劃分有一個(gè)方法，這個(gè)方法是在下面的規(guī)則基礎(chǔ)上建立的：(1)中心節(jié)點(diǎn)是一個(gè)簇首。(2)簇首必須是有路由能力的節(jié)點(diǎn)，且網(wǎng)絡(luò)深度為偶數(shù)的節(jié)點(diǎn)。(3)深度為奇數(shù)的節(jié)點(diǎn)則屬于它的父節(jié)點(diǎn)的簇。(4)終端節(jié)點(diǎn)的簇屬于它的父節(jié)點(diǎn)的簇。簇首建立過程如圖1所示。簇建立的過程是在路由發(fā)現(xiàn)開始的時(shí)候形成的，根據(jù)節(jié)點(diǎn)分布的密集度來劃分。最后選為簇首的節(jié)點(diǎn)的短地址即是該簇的標(biāo)簽。為了更合理地劃分簇，而且根據(jù)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)的特點(diǎn)，在隔一個(gè)深度的基礎(chǔ)上劃分，因?yàn)橹行墓?jié)點(diǎn)的深度為0，而且中心節(jié)點(diǎn)是一個(gè)簇首，所以選擇了深度為偶數(shù)的路由節(jié)點(diǎn)里面選擇一個(gè)簇首，而且每個(gè)簇的標(biāo)識(shí)就是這個(gè)簇的簇首的短地址，比如以中心節(jié)點(diǎn)為簇首的一個(gè)簇，簇標(biāo)識(shí)為0x00，除了中心節(jié)點(diǎn)為簇首形成一個(gè)簇以后，其他的簇首的選舉則是根據(jù)周圍節(jié)點(diǎn)的分布情況來確定的，本文采用了根據(jù)判斷信號(hào)強(qiáng)度RSSI的辦法來確定節(jié)點(diǎn)的密集程度，在成簇的最初階段，先判斷網(wǎng)絡(luò)深度，網(wǎng)絡(luò)深度為偶數(shù)的節(jié)點(diǎn)在向外廣播RREQ的時(shí)候，收到的節(jié)點(diǎn)都要向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息，則發(fā)送RREQ的源節(jié)點(diǎn)把收到的確認(rèn)信息根據(jù)所限定的最小信號(hào)強(qiáng)度值來判斷，如大于這個(gè)值，則把這個(gè)節(jié)點(diǎn)放在鄰居表里，則最后根據(jù)比較鄰居表里周圍節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的辦法來確認(rèn)節(jié)點(diǎn)數(shù)最多的點(diǎn)為簇首，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的短地址號(hào)則為這個(gè)簇的標(biāo)簽，節(jié)點(diǎn)一旦成為簇首節(jié)點(diǎn)，則向它的周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送簇首廣播報(bào)文，收到的節(jié)點(diǎn)在自己不是簇首的情況下發(fā)送簇加入報(bào)文，然后簇首發(fā)送應(yīng)到后，即加入到該簇。簇首節(jié)點(diǎn)則維護(hù)一個(gè)所有簇成員列表，簇成員節(jié)點(diǎn)則維護(hù)一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)表。短地址的計(jì)算是根據(jù)這幾個(gè)參數(shù)來得出的：父設(shè)備擁有子設(shè)備數(shù)量的最大值Cm，網(wǎng)絡(luò)的最大深度為L(zhǎng)m，父設(shè)備將由路由器作為它的子設(shè)備的最大數(shù)為Rm。網(wǎng)關(guān)Gateway，即位于兩個(gè)或者多個(gè)簇域重疊區(qū)域的非簇首節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將相鄰接的簇首連接起來，形成多跳路由路徑，如圖2所示。2.3路由請(qǐng)求過程AODV＿Cluster的路由請(qǐng)求過程類似于Z＿AODV的方式，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，它首先在自己的路由表中查尋到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果路由存在并且有效，則立刻開始發(fā)送數(shù)據(jù)；如果相應(yīng)的路由不存在或者路由存在但已經(jīng)標(biāo)明為無效時(shí)，源節(jié)點(diǎn)就開啟一個(gè)泛洪路由發(fā)現(xiàn)過程。源節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)路由請(qǐng)求包RREQ，并向其周圍節(jié)點(diǎn)廣播，如果鄰居節(jié)點(diǎn)收到RREQ，則根據(jù)上述計(jì)算簇標(biāo)簽的方法計(jì)算出目的節(jié)點(diǎn)的簇標(biāo)簽后，則在它的鄰居表中增加一個(gè)這個(gè)簇標(biāo)簽的路由接入點(diǎn)，并在路由查找表中增加一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址的路由接入點(diǎn)，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ的時(shí)候，則與它的路由搜索表中的路由成本進(jìn)行比較，如果這個(gè)路由成本比較低的話，則更新路由搜索表。然后繼續(xù)廣播，直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)為止。路由請(qǐng)求過程如圖3所示。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求后，不再?gòu)V播路由請(qǐng)求，它先建立反向路徑，產(chǎn)生一個(gè)RREP,RREP中含有最新的系列號(hào)等信息，沿反向路徑單波給源節(jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)在收到RREP后會(huì)建立到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，并更新系列號(hào)等有關(guān)的信息。源節(jié)點(diǎn)收到RREP后即建立路由并開始傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)這個(gè)路由過程建立完畢后，則原節(jié)點(diǎn)向它的簇首發(fā)送一個(gè)攜帶有路由信息的路由確認(rèn)包RNOT(RoteNotify)，當(dāng)簇首收到這個(gè)確認(rèn)包以后，則簇首再?gòu)V播一個(gè)路由更新包RUPT(RouteUpdate)，當(dāng)它的簇員收到這個(gè)信息后，則共享剛才節(jié)點(diǎn)新建立的路由信息。例如網(wǎng)絡(luò)地址為0x0A地址的節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)到目的地址為0x17的節(jié)點(diǎn)，則先對(duì)外廣播RREQ包直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，然后目的節(jié)點(diǎn)再發(fā)送RREP包確認(rèn)，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到RREP響應(yīng)后，則發(fā)送PNOT到網(wǎng)絡(luò)地址為0x02的簇首節(jié)點(diǎn)，然后由簇首節(jié)點(diǎn)在對(duì)外廣播，標(biāo)簽為0x02的簇里面的路由節(jié)點(diǎn)則都可以共享這個(gè)路由信息，如圖4所示。在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇成員一般只與自己的簇首進(jìn)行通信，由簇首負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。分簇算法既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，又在很大程度上節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量。分簇思想具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，由簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)融合的任務(wù)，減少了數(shù)據(jù)通信量分簇式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應(yīng)用，適合大規(guī)模部署的網(wǎng)絡(luò)由于大部分簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉通信模塊，不參加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程，因此顯著地延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。3源節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同的情況下,aodv和cluder協(xié)議的時(shí)效差異為了便于比較，在相同的仿真環(huán)境下分別運(yùn)行AODV和AODV-Cluster的仿真程序并比較仿真結(jié)果，圖5顯示了報(bào)文發(fā)送成功率，從途中可以明顯看出AODV-Cluster協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送成功率要高于AODV協(xié)議。圖6顯示了AODV協(xié)議和AODV＿Cluster協(xié)議在相同的源節(jié)點(diǎn)數(shù)目下網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均端到端延時(shí)。從圖6中可以看出,延時(shí)會(huì)隨著源節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而變大。在相同源節(jié)點(diǎn)數(shù)目的情況下,延時(shí)的總體趨勢(shì)是隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)變多而變大,也是由于隨著源節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加會(huì)使網(wǎng)絡(luò)過于擁塞,包成功接收的時(shí)間變長(zhǎng),因此會(huì)使延時(shí)變大。而在源節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同的情況下,AODV＿Cluster協(xié)議的延時(shí)時(shí)間還是相對(duì)較小的。兩協(xié)議路由負(fù)載的比較如圖7所示。這是根據(jù)每成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文網(wǎng)上需傳遞的路由控制報(bào)文的數(shù)量來繪制的。這里所說的路由控制報(bào)文包括網(wǎng)上傳輸?shù)腞REQ,RREP,RERR和Hello報(bào)文，AODV-Cluster還包括簇首廣播、路由確認(rèn)包等。從圖6中也可看到，AODV在節(jié)點(diǎn)數(shù)超過120時(shí)路由負(fù)載急劇增加，而AODV-Cluster增加相對(duì)較為緩慢。這也證明了AODV-Cluste協(xié)議r確實(shí)能有效降低路由控制報(bào)文的數(shù)量。4新型分簇路由目前在ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的研究中，路由協(xié)議的研究已經(jīng)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文在ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)AODV路由協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)單地分析，并且進(jìn)行了改進(jìn)，借鑒了ZigBee簇樹形的思想，提出了一種新型的分簇路由協(xié)議。由于同一