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《電子科技》2014年第五期

1zigbee路由協議改進方案

1.1捷徑路由思想

捷徑路由思想是Cluster－Tree改進協議中提出的新思想。改進協議的主體思想為:在節點發送數據包到其父節點或子節點之前，檢查其鄰居表，并根據所提出的找尋捷徑路徑策略找到可以減少到目的節點路由成本的捷徑節點，此節點可以作為到達目標節點的下一跳節點，而不必是父或子節點。幫助尋找從源節點到目的節點之間的一條跳數最小路徑，以此改善網絡的性能，從而降低網絡的總體能量消耗，延長網絡的生存壽命。捷徑路由思想:首先定義一個路徑P，路徑包含了一個有序的節點集合［P1，P2，…，Pn］，其中P1是路由路徑中的源節點，Pn是目的節點。在這條路徑當中，如果有一條鏈路?Pi，Pj」，j＞i+1，當這條新路徑的損耗低于原路徑時，將這條子路徑?Pi，Pj」稱為是一個原Cluster－Tree算法的捷徑路由路徑(Crosscut)。如果一個節點X，滿足以下3個條件，那么這個節點X就是節點Pi的捷徑節點:(1)X是Pi的鄰居節點，但不是Pi的父節點或子節點。(2)X也是路由路徑P節點集中的一個節點。(3)X是一個在路由路徑P有序節點集中，排在節點Pi后面的節點。在不同數據傳輸方向下的整體捷徑路由節點尋找過程如圖3所示。由于網絡中的復雜性，數據包傳輸方向多數可以分成上行和下行兩部分，這種數據包稱為混合型路由數據包。在此對這種類型的捷徑路由的尋找進行說明。如果在原Cluster－Tree協議的路由路徑中，可以發現有節點X是Pi的鄰居列表中的一個鄰居節點，但它既不是Pi的父節點又不是其子節點。從這個條件，可以推出從X滿足上式(1)，那么容易看出，X是源節點P1或目的節點Pn的父輩。從式(2)可以看出，節點X的深度大于或等于整個路徑P所有節點中最小的深度。通過路由路徑中的源節點地址和目的節點地址，可以計算出源節點和目的節點所有的共同父輩節點。而共同父輩節點中最大的網絡深度就是在整個路由路徑中的所有節點的最小深度時，當節點X是路由路徑中的一個節點，同時又滿足式(1)和式(2)的條件，如果節點Pi是目的節點Pn的一個父輩節點，而Pi又是X的父輩節點，那么就可以推測出X一定是在路由路徑P有序節點集中，排在節點Pi后面的節點;或者當節點Pi是源節點P1的父輩節點，而節點X是目的節點Pn的父輩節點，節點X的網絡深度D(X)要小于節點Pi的網絡深度D(Pi)，則X也在路由路徑P中，排在節點Pi之后，上述兩種情況，當數據包傳送到節點Pi時，它選擇的下一跳節點為節點X，也就是節點Pi的捷徑節點，從而降低路由成本。

1.2路由代價函數

上文中提到了捷徑路由的想法，但只憑借尋找到捷徑點并不能完全延長網絡壽命，原因是當尋找的路徑中所含節點的剩余能量低于某個安全值時，剩余的電量并不能承擔傳遞數據的能量負載，那么這條路徑就并非最優路徑，反而使用這條路徑會承擔分割網絡的風險，所以這里提到了路由代價函數的能量計算函數，通過計算經過某路徑的代價，得出這條路徑被選擇的安全系數，使得網絡數據在傳輸過程中更穩定。代價函數定義:在某時刻t路徑j的路由代價為個RREQ分組，通過比較RREQ條目中的Metric值，選擇Metric最大的節點并將該節點進行記錄，產生RREP回復給源節點，若該節點為中繼節點，則繼續將自己的RREQ分組進行轉發，直至目的節點收到RREQ形成反向路徑。因此，合理的路由代價函數設計，對找出最佳的節點延長網絡生存周期是關鍵。

2ZigBee改進路由算法仿真分析結果

通過對不同協議的性能比較與分析來說明新協議研究的可行性，因此本文利用NS－2軟件對ZigBee路由協議進行仿真，從仿真圖中證明運用尋找捷徑節點，并計算能量代價的算法能否有效降低網絡能耗，并延長網絡的有效運行時間。以下仿真實驗設定:網絡節點數50個，網絡運行時間50s，場景大小1000m×1000m，節點移動最大速度50m/s，圖5和圖6為在不同網絡運行時間下得出ZigBee路由協議與改進協議的路由開銷率與網絡平均延時曲線。從圖中可以看出，捷徑節點的尋找大幅降低了整個網絡的路由開銷與平均延時值，并且改善了網絡參數變化的不穩定情況，曲線程平緩變化。除此之外在圖中也可以看出結合路由代價函數后進一步完善了整個路由協議，使得協議在不同的網絡運行時間下的路由開銷與延時又大幅降低。因此，根據以上分析，新協議可以降低開銷、改善網絡環境。

3結束語

延長網絡生存壽命、降低節點能耗的研究已經成為了一個熱點問題，本文研究了尋找捷徑路由的算法，提出了一種以路徑節點的剩余能量作為參數的代價函數Metric，使網絡在路由開銷率與網絡時延兩方面被改善，并且保證了整個網絡的安全穩定性。下一步工作將對環境參數進行修改，從而驗證新思想的使用廣泛性。

作者：楊璐單位：大連交通大學電氣信息學院