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计算机与信息技术
网络天地
ZigBee 技术网络层的路由算法分析
刘丽钧 童丽丽
(沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁省 沈阳市 110023)
摘 要 基于 IEEE802.15.4 标准的 ZigBee 网络是一种具有强大组网能力的新型无线个域网,其中的路由算法是研发工作
的重点.本文介绍了 IEEE802.15.4 标准及 ZigBee 规范的协议模型,重点研究了 ZigBee 协议网络层的路由算法,分析了 Tree 路由及 Z-AODV 路由算法, 在此基础上提出了 ZigBee 网格型网络中基于数据特性的路由选择机制, 该机制在网络性能和低功 耗方面有明显的优势,并且可以平衡节点能量,最后简单介绍了 ZigBee 节点的硬件实现.
关键词 ZigBee 协议;网络;IEEE802.15.4;路由算法;Tree 路由;Z-AODV 路由 1 概述
ZigBee 技术是由英国 Invensys 公司, 日本三菱电气公司, 美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在 2002 年 10 月共 同提出设计研究开发的具有低成本,体积小,能量消耗小和 传输速率低的无线通信技术. 2000 年 12 月,IEEE 802 无线个域网(WPAN,Wireless Personal Area Network)小组成立,致力于 WPAN 无线传输 协议的建立.2003 年 12 月,IEEE 正式发布了该技术物理层 和 MAC 层所采用的标准协议,即 IEEE 802.15.4 协议标准, 作为 ZigBee 技术的网络层和媒体接入层的标准协议.2004 年 12 月, ZigBee 联盟在 IEEE 802.15.4 定义的物理层 (PHY) 和媒体接入层(MAC)的基础上定义了网络层和应用层,正 式发布了基于 IEEE 802.15.4 的 ZigBee 标准协议. 道接入,时隙管理,发送确认帧,发送连接及断开连接请求, 还为应用合适的安全机制提供一些方法.它包含具有时间同 步信标的可选超帧结构,采用免碰撞的载波侦听多址访问 (CSMA-CA) .安全层主要实现密钥管理,存取等功能.网 络层主要用于 ZigBee 的 LR-WPAN 网的组网连接, 数据管理 等.应用框架层主要负责向用户提供简单的应用软件接口 ( API ) 包括应 用 子层 支持 APS( Application Sub-layer , Support) ,ZigBee 设备对象 ZDO(ZigBee Device Object)等, 实现应用层对设备的管理, ZigBee 技术的实际应用提供一 为 些应用框架模型等,以便对 ZigBee 技术的开发应用. 网络层的定义包括网络拓扑,网络建立,网络维护,路 由及路由的维护. 2.1 ZigBee 的网络拓扑结构 ZigBee 定义了三种拓扑结构:星型拓扑结构(Star) ,主 要为一个节点与多个节点的简单通信设计;树型拓扑结构 (Tree) ,使用分等级的树型路由机制;网格型拓扑结构 (Mesh) ,将 Z-AODV 和分等级的树型(Tree)路由相结合 的混合路由方法.三种拓扑结构如图 2 所示.
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网络层的研究
ZigBee 技术的体系结构主要由物理层 (PHY) 媒体接入 ,
层(MAC) ,网络/安全层以及应用框架层组成,各层之间的 分布如图 1 所示.
应用框架层
网络/安全 ZigBee 协议 MAC 层 IEEE802.15.4 物理(PHY)层
图 1 ZigBee 技术协议组成 PHY 层的特征是启动和关闭无线收发器,能量检测,链 路质量,信道选择,清除信道评估(CCA)以及通过物理媒 体对数据包进行发送和接收.MAC 层可以实现信标管理,信
图 2 网络的三种拓扑结构 ZigBee 定义了三种设备类型:ZigBee 协调器(ZigBee Coordinator,ZC) ,用于初始化网络信息,每个网络只有一个
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ZC;ZigBee 路由器(ZigBee Router,ZR) ,它起监视或控制 作用,但它也是用跳频方式传递信息的路由器或中继器; ZigBee 终端设备(ZigBee End Device,ZED) ,它只有监视或 控制功能,不能做路由或中继之用. 在 IEEE 标 准 中 , ZED 被 称 为 精 简 功 能 设 备 (Reduced-Function Device,RFD) ,ZC 和 ZR 被称作全功能 设备(Full-Function Device,FFD) . 2.2 网络层路由算法的分析 网络层支持 Tree,Z-AODV,Tree + Z-AODV 等多种路 由算法. 2.2.1 AODV 路由协议 DSDV(destination-sequenced distance-vector)协议是一 个基于传统的 BellmanFord 路由机制的表驱动算法,被认为 是 最 早 的 无 线 自 组 网 络 路 由 协 议 . DSDV 在 传 统 的 distance-vector 算法的基础上采用了序列号机制, 用于区分路 由的新旧程度,防止 distance-vector 算法可能产生的路由环 路. DSDV 采用时间驱动和事件驱动技术控制路由表的传送, 即每个移动节点在本地都保留一张路由表,其中包括所有有 效目的节点,路由跳数,目的节点路由序列号等信息,目的 节点路由序列号用于区别有效和过期的路由信息以避免环路 的产生. DSR(dynamic source routing)协议是最早采用按需路由 思想的路由协议,包括路由发现和维护两个过程.它的主要 特点是使用了源路由机制进行数据包转发. AODV(ad-hoc on-demand distance vector)协议在 DSDV 协议的逐跳路由, 序列号, 定期广播机制基础上, 加入了 DSR 的按需路由发现和维护机制. AODV 在每个中间节点隐式保存了路由请求和应答的结 果,并利用扩展环搜索(expanding ring research)的办法限制 搜索发现目的节点的范围. AODV 支持组播功能, 支持 QoS, 而且 AODV 使用 IP 地址,便于同 Internet 连接.但 AODV 基于双向信道的假设,路由应答数据包直接沿着路由请求的 反方向回溯到源节点,因而不支持单向信道.与 DSDV 保存 完整的路由表不同的是,AODV 通过建立按需路由来减少路 由广播的次数,这是 AODV 对 DSDV 的重要改进.与 DSR 相比,AODV 的好处在于源路由并不需要包括在每一个数据 包中,这样会降低路由协议的开销.AODV 是一个纯粹的按 需路由协议,那些不在路径内的节点不保存路由信息,也不 参与路由表的交换. 2.2.2 Z-AODV 能量平衡路由 在 ZigBee 路由规范中没有过多的考虑能量控制, 但是对 于 ad hoc 无线网络来说,能量控制非常重要.因此提出了能 量控制策略来改进 ZigBee 路由. 它将使节点避免用尽所有能 量以至于过早的失去作用.当节点想要选择路径时,它将考 虑路径上的节点的剩余能量. Z-AODV 算法是针对 AODV (Ad hoc 按需距离矢量路由

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