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摘要基于IEEE802.15.4標準的zigbee網絡是一種具有強大組網能力的新型無線個域網，其中的路由算法是研發工作的重點。本文介紹了IEEE802.15.4標準及ZigBee規范的協議模型，重點研究了ZigBee協議網絡層的路由算法，分析了Tree路由及Z-AODV路由算法，在此基礎上提出了ZigBee網格型網絡中基于數據特性的路由選擇機制，該機制在網絡性能和低功耗方面有明顯的優勢，并且可以平衡節點能量，最后簡單介紹了ZigBee節點的硬件實現。

關鍵詞ZigBee協議；網絡；IEEE802.15.4；路由算法；Tree路由；Z-AODV路由

1概述

ZigBee技術是由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司在2002年10月共同提出設計研究開發的具有低成本、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術。

2000年12月，IEEE802無線個域網（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）小組成立，致力于WPAN無線傳輸協議的建立。2003年12月，IEEE正式了該技術物理層和MAC層所采用的標準協議，即IEEE802.15.4協議標準，作為ZigBee技術的網絡層和媒體接入層的標準協議。2004年12月，ZigBee聯盟在IEEE802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體接入層（MAC）的基礎上定義了網絡層和應用層，正式了基于IEEE802.15.4的ZigBee標準協議。

2網絡層的研究

ZigBee技術的體系結構主要由物理層（PHY）、媒體接入層（MAC）、網絡/安全層以及應用框架層組成，各層之間的分布如圖1所示。圖1ZigBee技術協議組成PHY層的特征是啟動和關閉無線收發器、能量檢測、鏈路質量、信道選擇、清除信道評估（CCA）以及通過物理媒體對數據包進行發送和接收。MAC層可以實現信標管理、信道接入、時隙管理、發送確認幀、發送連接及斷開連接請求，還為應用合適的安全機制提供一些方法。它包含具有時間同步信標的可選超幀結構，采用免碰撞的載波偵聽多址訪問（CSMA-CA）。安全層主要實現密鑰管理、存取等功能。網絡層主要用于ZigBee的LR-WPAN網的組網連接、數據管理等。應用框架層主要負責向用戶提供簡單的應用軟件接口（API），包括應用子層支持APS（ApplicationSub-layerSupport）、ZigBee設備對象ZDO（ZigBeeDeviceObject）等，實現應用層對設備的管理，為ZigBee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對ZigBee技術的開發應用。

網絡層的定義包括網絡拓撲、網絡建立、網絡維護、路由及路由的維護。

2.1ZigBee的網絡拓撲結構

ZigBee定義了三種拓撲結構：星型拓撲結構（Star），主要為一個節點與多個節點的簡單通信設計；樹型拓撲結構（Tree），使用分等級的樹型路由機制；網格型拓撲結構（Mesh），將Z-AODV和分等級的樹型（Tree）路由相結合的混合路由方法。三種拓撲結構如圖2所示。圖2網絡的三種拓撲結構ZigBee定義了三種設備類型：ZigBee協調器（ZigBeeCoordinator，ZC），用于初始化網絡信息，每個網絡只有一個ZC；ZigBee路由器（ZigBeeRouter，ZR），它起監視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器；ZigBee終端設備（ZigBeeEndDevice，ZED），它只有監視或控制功能，不能做路由或中繼之用。

在IEEE標準中，ZED被稱為精簡功能設備（Reduced-FunctionDevice，RFD），ZC和ZR被稱作全功能設備（Full-FunctionDevice，FFD）。

2.2網絡層路由算法的分析

網絡層支持Tree、Z-AODV、Tree+Z-AODV等多種路由算法。

2.2.1AODV路由協議

DSDV（destination-sequenceddistance-vector）協議是一個基于傳統的BellmanFord路由機制的表驅動算法，被認為是最早的無線自組網絡路由協議。DSDV在傳統的distance-vector算法的基礎上采用了序列號機制，用于區分路由的新舊程度，防止distance-vector算法可能產生的路由環路。DSDV采用時間驅動和事件驅動技術控制路由表的傳送，即每個移動節點在本地都保留一張路由表，其中包括所有有效目的節點、路由跳數、目的節點路由序列號等信息，目的節點路由序列號用于區別有效和過期的路由信息以避免環路的產生。

DSR（dynamicsourcerouting）協議是最早采用按需路由思想的路由協議，包括路由發現和維護兩個過程。它的主要特點是使用

了源路由機制進行數據包轉發。

AODV(ad-hocon-demanddistancevector)協議在DSDV協議的逐跳路由、序列號、定期廣播機制基礎上，加入了DSR的按需路由發現和維護機制。

AODV在每個中間節點隱式保存了路由請求和應答的結果，并利用擴展環搜索（expandingringresearch）的辦法限制搜索發現目的節點的范圍。AODV支持組播功能，支持QoS，而且AODV使用IP地址，便于同Internet連接。但AODV基于雙向信道的假設，路由應答數據包直接沿著路由請求的反方向回溯到源節點，因而不支持單向信道。與DSDV保存完整的路由表不同的是，AODV通過建立按需路由來減少路由廣播的次數，這是AODV對DSDV的重要改進。與DSR相比，AODV的好處在于源路由并不需要包括在每一個數據包中，這樣會降低路由協議的開銷。AODV是一個純粹的按需路由協議，那些不在路徑內的節點不保存路由信息，也不參與路由表的交換。

2.2.2Z-AODV能量平衡路由

在ZigBee路由規范中沒有過多的考慮能量控制，但是對于adhoc無線網絡來說，能量控制非常重要。因此提出了能量控制策略來改進ZigBee路由。它將使節點避免用盡所有能量以至于過早的失去作用。當節點想要選擇路徑時，它將考慮路徑上的節點的剩余能量。

Z-AODV算法是針對AODV（Adhoc按需距離矢量路由協議）算法的改進，AODV是基于序列號的路由，它總是選擇最新的路由。Z-AODV是基于路徑的能量消耗的路由，考慮到節能、應用方便性等因素，簡化了AODV的一些特點，但仍保持AODV的原始功能。

在路由選擇和路由維護時，ZigBee的路由算法使用了路由成本的度量方法來比較路由的好壞。假定一個長度為L的路由P，則它的路由成本為：為：其中，表示從節點Di到節點Di+1的鏈路成本。對于鏈路l，鏈路成本可按照下面的表達式計算：其中，pl為鏈路l中發送數據包的概率。

在ZigBee規范中沒有涉及到pl的具體計算方法。pl可通過實際計算收到的信標和數據幀來進行估計，即通過觀察幀的響應序列號來檢測丟失的幀，這就通常被認為最準確地測量接收概率的方法。但是，對于所有的方法來說，最直接和有效的方法就是基于IEEE802.15.4的MAC層和PHY層所提供的每一幀的LQI通過平均所計算的值。即使使用其他方法，最初的成本估計值也是基于平均的LQI值。可以根據驅動函數表來映射平均LQI值與C﹛l﹜值的關系（見表1）。表1LQI值與鏈路成本的關系能量平衡運算要考慮許多因素來選擇路由。這些因素包括臨近節點的能量、節點自身的能量和鏈路質量。剩余能量Elocal可以在每一個ZigBee幀中的保留域發送，這樣每個節點都能得到它的鄰居節點最新的能量分配﹛E1，E2…En﹜。

2.2.3樹型（Tree）路由

樹型路由機制包括配置樹型地址和樹型地址的路由。當協調器建立一個新的網絡，它將給自己分配網絡地址0，網絡深度Depth0=0。如果節點（i）想要加入網絡，并且與節點（k）連接，那么節點（k）將稱為節點（i）的父節點。根據自身的地址Ak和網絡深度Depthk，節點（k）將為節點（i）分配網

絡地址Ai和網絡深度Depthi=Depthk+1。網絡深度表示僅僅采用父子關系的網絡中，一個傳送幀傳送到ZigBee協調器所傳遞的最小跳數。ZigBee協調器自身深度為0，而它的子設備深度為1。

圖3為ZigBee樹型結構。參數nwkMaxChildren(Cm)表示路由器或協調器在網絡中允許擁有子設備數量的最大值。參數nwkMaxRouters(Rm)表示子節點中路由器的最大個數，而剩下的設備數為終端設備數。圖3ZigBee樹型結構一個新的RFD節點（i），它沒有路由能力，它與協調器連接作為協調器的第n個子節點。根據它的深度d，父節點（k）將為子節點（i）分配網絡地址：

Ai=Ak+Cskip（d）·Rm+n其中1≤n≤（Cm-Rm）

如果是新的子節點FFD，它有路由能力，父節點（k）將給它分配網絡地址：

Ai=Ak+1+Cskip（d）·（n-1）

其中，

否則，參數nwkMaxDepth(Lm)表示網絡的最大深度。

假設一個路由器向網絡地址為D的目的地址發送數據包，路由器的網絡地址為A，網絡深度為d。路由器將首先通過表達式：

A＜D＜A+Cskip(d-1)

判斷該目的節點是否為自己的子節點。如果目的節點是自己的子節點，則下一跳節點的地址為：

否則，下一跳節點是該路由器的父節點。

2.2.4Tree+Z-AODV路由算法的分析

根據上文對Tree和Z-AODV兩種路由算法的分析，在我們的ZigBee網絡中將二者結合，使用Z-AODV和分等級的樹型（Tree）路由相結合的混合路由方法，構成網格型拓撲結構（Mesh）的網絡。

具體實現方法是在數據幀幀頭的DiscoverRouter域指定路由。該域可以是如下三種值：

⑴抑制路由發現：它使用已經存在的路由表。當路由表中沒有相應的目的節點的地址時，參數nwkUseTreeRouting的值為TRUE，網絡將使用樹型路由。

⑵使能路由發現：如果在路由表中有路由地址，將按照該路由表進行路由。否則，路由器將使用Z-AODV路由算法初始路由發現。如果該節點沒有初始路由發現的能力，它將使用樹型路由。

⑶強制路由發現：不管是否有相應的路由表，節點都強制使用Z-AODV路由算法初始化路由發現。

在ZigBee規范中提出了將AODV和Tree路由混合的路由機制。但在ZigBee規范中并沒有說明如何配置參數來選擇路由策略，沒有使兩者平衡的設計方法。根據上面Tree路由和Z-AODV的分析，我們提出了基于數據特性的路由方法，即在兩種路由算法構成的網格型網絡中，根據節點間傳輸數據特性的不同，通過設置數據幀幀頭的DiscoverRouter域，選擇不同的路由方法。對于捆綁型的連續數據，ZigBee應用層應選擇使用使能路由的方法。即采用Z-AODV路由首先建立路由發現，然后選擇跳數少的路由，成為最佳路徑；對于爆發型的不連續數據則使用抑制路由發現的方法，即在路由表中沒有響應的目的節點的地址時，采用Tree路由方法。因為這種路由不需要建立路由表，因此對傳輸的數據響應較快。

圖4為節點接收到上層或其他節點發送的數據包時，網絡層處理程序的流程圖。圖4路由算法流程圖2.3總結

Tree路由是一種由網絡協調器展開生成樹狀網絡的拓撲結構，適合于節點靜止或者移動較少的場合，屬于靜態路由，不需要存儲路由表。樹型路由對傳輸數據包的響應較快，因為樹型路由不需要建立路由表。其缺點是所選擇的路由并非是最佳的路由，不能獲得最小路由。樹型路由適用于爆發型的數據傳輸。

Z-AODV需要首先建立路由發現，然后選擇跳數少的路由，成為最佳路徑。Z-AODV適用于連續的數據傳輸。

在ZigBee規范中，設計了Z-AODV和Tree路由混合的路由策略，這里我們提出了基于數據服務的ZigBee路由選擇策略。根據上述分析可以看出，這種路由選擇機制在網絡性能和低功耗方面有明顯的優勢；并且根據能量控制機制，可以有效地平衡節點能量，避免節點耗盡能量而過早地失去作用。

3ZigBee模塊硬件設計

模塊集無線收發器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，可實現1.0版ZigBee協議棧的功能。圖5ZigBee模塊框圖圖5是模塊的硬件框圖，射頻芯片采用Chipcon公司生產的符合IEEE802.15.4標準的模塊CC2420；控制射頻芯片的微處理器可以根據需要選擇Atmel公司的AVR系列單片機或者SiliconLabs公司的8051內核單片機。單片機與射頻芯片之間通過SPI通信。單片機與外部設備之間通過串口通信，單片機自帶若干ADC或者溫度傳感器，可以實現簡單的模數轉換或者溫度監控。為了方便代碼移植到不同的硬件平臺，模塊固件采用標準C語言編寫代碼實現。

參考文獻

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