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降低路由开销的ZigBee路由算法研究

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基于传感器应用的ZigBee路由算法研究

基于传感器应用的ZigBee路由算法研究

基于传感器应用的ZigBee路由算法研究摘要：依据AODV理论，针对提高路由使用时间的需求和ZigBee的特点，对算法的路由发现过程进行了节能优化。

通过NS-2.29软件进行仿真分析，给出了基于AODVjr节能优化的算法实现和结果分析。

关键词：ZigBee；AODVjr；路由算法改进；传感器；仿真分析0 引言ZigBee技术采用了AODVjr（AODV Junior）算法。

AODVjr[2]（Adhoc OnDemand Distance Vector Routing，简称AODV[3]）具有AODV 的主要功能，更灵活、小巧，更适合嵌入式系统。

根据实际应用中路由的需求以及对供电问题的研究，给出一种注重节能、增加路由使用效率的路由算法，以延长生存时间为目标，有着重要的现实意义。

1 AODVjr算法AODVjr路由算法保留了AODV的基本功能，但是移除了一些特性。

比如，消除了Hello消息且仅允许目的节点回复RREP分组。

AODVjr包括两个阶段——路由发现和数据转发。

路由发现阶段，源要找到目的节点，须广播RREQ（Route Request）分组，若目的节点存在活动条目，会回复源一个RREP（Route Reply）。

目的节点会根据选路原则选择最优的RREQ进行回复。

如图1中，源S节点发送RREQ到目的D节点，D会先响应第一个收到的RREQ分组，并回复RREP分组。

即图中路径S>2>D成为S到D的最优路由。

假设此时节点2是网络转发的核心节点，它频繁地转发数据包，能量消耗很快，而其它到目的路径上的节点能量均很饱满。

除非节点2死亡，否则S到D的最优路由始终不变。

AODVjr 路由算法这种以最小跳数作为最优路由的度量标准，不可避免地让一些通信任务集中到某些节点上，这些节点从而成为“热点”（如图1的节点2）。

这些“热点”承担了较多的数据转发任务，对于网络稳定性有较大影响，当其能量耗尽时，会导致网络断路，继而引发节点广播RREQ分组，增加了数据传输时延，降低了网络性能。

基于Zigbee网络的路由算法研究

基于Zigbee网络的路由算法研究

ｌ ——— 『————。ｆ 丢弃 据 ］ — 本数 帧
— — — — — — — ‘ ’ —
Ｎ —— ＿Ｊ ０ — — — —
Ｙｅ Ｓ
已知到 目的节点路径的 中间节点也可以做 出响应；
Ｙ。 Ｙ髂
其次 Ａ Ｄ 不存在 Ａ Ｄ 中的 “ Ｏ ￣ｒ ＯＶ 先驱节点列表
（ｒ ｕｓｒｓ” 从而简化 了路 由表结构。在 Ａ Ｄ ｐｅ ｒ ｌｔ ， ｅ ｏ ｉ） Ｏ Ｖ
的核心，根据实际应用 中网络结构的不同， ｉ ｅ Ｚｇ ｅ Ｂ
一
般采用两种最常用的路 由协议：树状路由协议和
味发展单一的性能强大可靠的通用计算机，而是倾
向于生产廉价的具有有限计算能力并能执行特定任
网状路由协议 。下面就对这两种路 由协议分别代表 性的簇树路由算法和 Ａ Ｄ ｊ Ａ —ｏ ｎＤ ｍ ｎ Ｏ Ｖｒ（ ｄｈｃ — ｅ ａｄ Ｏ
备都有一定的地址空间分配给后裔结点 。树路由不
需要存储路由表， 简单并且无初始延迟。因此， 任何
一
辑上的信息世界， 改变了人类之间的沟通方式， 无线
传感器 网络 则是将逻 辑上 的信息世界 与客观 上 的物
个低资源的设备都可以加入一个 Ｚｇｅ 网络， ｉ ｅ ｂ 但
是路由路径却未必是最优的路径 。Ｚｇｅ 簇树路 由 ｉ ｅ ｂ
（ ｆｒ ｔ ｎ＆Ｃ ｎｒｌ ｎ ｉ ｅｉｇ ａｕｔ，ｈｎａｇ ｉｎｈ ｎｖｒｉ，Ｌａｎｎ ｈｎ ａｇ１０６） Ｉ ｏｍａｏ ｎ ｉ ｏｔ ｇｎ ｒ ｃｌ Ｓｅｙｎ ａｚｕＵ ｉｅ ｔ ｏＥ ｅ ｎ Ｆ ｙ Ｊ ｓ ｙ ｉ ｉｇＳ ｅｙｎ １ １８ ｏ
摘
要： 本文针对基于Ｚｇ ｅ 网络的路 由算法进行相关研 究， ｉ ｅ ｂ 并分析其优缺点。

ZigBee技术网络层的路由算法分析(1).

ZigBee技术网络层的路由算法分析(1).

ZigBee技术网络层的路由算法分析(1)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。

2 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。

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。

毕业设计(论文)zigbee网络路由算法设计[管理资料]

毕业设计(论文)zigbee网络路由算法设计[管理资料]

编号：审定成绩：重庆邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：ZigBee网络路由算法设计学院名称：自动化学院学生姓名：董沙专业：测控技术与仪器班级：0820803学号：08210323指导教师：谢昊飞答辩组负责人：向敏填表时间：2012年 5 月重庆邮电大学教务处制摘要ZigBee技术是一种低功耗、低成本、低速率的无线通信技术。

目前在工业领域、医学领域、军事领域、智能家居、道路监测、家庭自动化等方面有着良好的应用前景。

ZigBee网络常用的路由算法有Cluster-Tree算法、AODVjr算法和Cluster-Tree&AODVjr算法。

其中AODVjr 是AODV算法的简化版本。

，在此平台上实现了对AODV路由算法的设计。

该设计可以分为以下几个模块来实现：初始化、路由发现及维护、节点收发数据、节点移动、显示及时钟模块。

重点分析介绍了AODV 路由发现及维护模块。

分析了一种基于路由发现过程的改进方案。

该方案通过增加反向的RREQ分组和备用路由表来降低网络阻塞的概率和数据丢失率。

通过设计节点的移动来模拟真实网络中节点失效的情况。

通过测试，在该平台上，可以实现AODV路由的发现、建立、维护、收发数据等功能。

【关键词】ZigBee AODV Truetime 路由ABSTRACTZigBee is a technology of wireless communication, which is low power, low cost, low rate. Currently, it is widely used in such as industrial,medical,military areas,intelligent house, road monitoring ,home automation and so on. Typically,there are three kind of route algorithms,namely AODVjr algorithm ,Cluster-Tree algorithm and Cluster-Tree & AODVjr the three ones,the AODVjr algorithm is a short version of AODV protocol.We build a simulation platform of the ZigBee network with the toolbox of TrueTime in Matlab,and then design the protocol of AODV on it. The design can be divided into several modules to achieve, they are the block of route discovery and maintance , initialization, the animation block, clock, node moving and sending and reciving introduce the route discovery and maintance block as a an improved AODV algorithm is analyzed in detail,which helps to reduce the loss of data and the probability of network congestion.We simulate the real environment of network by moving two nodes .As a result,we realize the feature of discoverying and maintaining a route, sending and receiving datas and so on.【Key words】ZigBee AODV Truetime Improved routing protocol目录前言 (1)第一章绪论 (2)第一节选题背景 (2)一、无线传感网络概述 (2)二、ZigBee网络概述 (3)第二节选题意义 (5)一、ZigBee的应用领域 (5)二、ZigBee的发展现状 (7)第三节论文的结构和主要研究内容 (7)第四节本章小结 (8)第二章ZigBee路由协议分析 (9)第一节网络层规范简介 (9)一、网络层数据实体 (9)二、网络层管理实体 (10)第三节组网过程 (12)第四节路由协议的基本思想 (14)一、Cluster-Tree算法 (14)二、AODVjr算法 (15)三、Cluster-Tree&AODVjr结合的算法 (16)第五节本章小结 (18)第三章基于ZigBee的AODV路由算法设计 (19)第一节系统总体设计 (19)第二节各个子模块的设计 (19)一、初始化 (19)二、路由发现及维护 (21)三、节点收发数据 (39)四、节点的移动 (40)五、显示 (41)六、时钟 (42)第三节本章小结 (45)第四章基于路由发现过程的AODV路由改进方案 (46)第一节改进方案的思想 (46)一、增加反向RREQ (46)二、增加备用路由表 (50)第二节改进方案的优势 (53)第三节本章小结 (53)第五章AODV路由协议的实现与测试 (54)第一节验证与测试环境的搭建 (54)第二节AODV路由协议的测试 (54)第三节测试结果分析 (57)第四节本章小结 (58)结论 (59)致谢 (60)参考文献 (61)附录 (62)一、英文原文 (62)二、英文翻译 (74)三、工程设计图纸： (85)前言随着无线传感网络应用的逐步推广，ZigBee技术凭借其低功耗、低成本、短时延、高可靠性等诸多优势得到了越来越多的关注。

ZigBee路由算法的研究与改进

ZigBee路由算法的研究与改进

ＫＥ ＹＷ ＯＲＤＳ Ｚ ｇ ｅ ，ｒ ｕ ｉｇａｇ ｒ ｈ ， ｃｕ ｔｒｔｅ ， ＡＯＤＶｊ， ｎ ｉｈ ｏ ａ ｌ ｉＢ ｅ ｏ ｔ ｌｏ ｉ ｍ ｎ ｔ ｌｓｅ －ｒｅ ｒ ｅｇ ｂ述
Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ技术 是 一种短 距 离、 复杂度 、 功耗 、 低 低 低
用 前景 。Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ协议规范使 用 了 Ｉ Ｅ ８ ２ １ ． Ｅ Ｅ ０ ． ５ ４定义
在 Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ网络 层 中 ， 采用 分 布式 地址 分 配方案 来 分 配 网络地址 。该 方案 为每 一个 父设备 分配 一个有 限
的 网络地 址 段 ， 由父设 备 具 体分 配 一 个 网络 地址 给 再 它的每 个子 设备 ， 些 地址在 同一 个 网络 中是唯一 的 。 这 协 调节 点在 建 立 网络 以后使 用 １ ６位 的 １ ６进 制 数 Ｏ ０ ＸＯ ０作 为 自己的 网络 地 址 ， 由节 点 和终 端 节 点加 路 入 网络后 ， 用父设 备 给他分 配 的 １ 位 的短 地址来 通 使 ６ 信 。整 个 网络 的架构 由 ３个值 决 定 ， 别是 ： 分 网络 的最
大 深 度 （ ｍ） 每 个 父 设 备 最 多 拥 有 的 子 节 点 个 数 Ｌ ，
的物理 层 （ ＨＹ） Ｐ 和媒体介质 访 问层 （ ＭＡＣ ， 在此基 ）并
础上 定义 了 网络层 （ ＮＷＫ） 应用 层 （ Ｌ 架构 。网 和 ＡＰ ）
络 层 提供 的 功能 主要是 新建 一个 网络 、 点加 入 和离 节
ｏ ｉ ｉ ａ ｌ ｏ ｉ ｍ ，ｐ ｏ ｏ ｅ ｏ ｒ ｃ ｉｅ ｒ ｕ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅｇ ｂ ｒ ｔ ｂ ｅ ａ ｄ ｎ ｉ ｈ ｏ ｏ ｅ ｎ ｎ ｌ ｚ ｓ ｔ ｅ ａ ｔ ａ ｒ ｎ ｌａ ｇ ｒｔ ｇ ｈ ｒ ｐ ｓ ｓ ａ ｃ ｒ ｅ ｔｖ ｏ ｔ ｔ ｏ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｎ ｉ ｈ ｏ ａ ｌ ｎ ｅｇ ｂ ｒ ｎ ｄ ，ａ ｄ ａ ａ ｙ ｅ ｈ ｃ ｕ ｌ

基于ZigBee网络的无线路由算法研究的开题报告

基于ZigBee网络的无线路由算法研究的开题报告

基于ZigBee网络的无线路由算法研究的开题报告一、研究背景及意义随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）成为物联网的基础性网络。

WSN主要由大量的无线传感器节点组成，这些节点具备自组织、分布式、低功耗等特点，可以感知环境变化并将所得数据通过无线方式传输到基站，用于监控、控制和数据采集等领域。

然而，WSN受限于自身资源限制、无线信号弱和时空关系等问题，节点之间的无线通信存在一定的复杂性和不可靠性。

因此，如何设计高效的路由算法，实现节点之间的可靠通信和数据传输，是WSN研究的重点和难点之一。

ZigBee是一种低功耗、广域网（PAN）无线网络协议，具有多跳通信、自组织、低功耗等优点。

采用ZigBee协议的无线传感器网络，可以提高网络的可靠性和节能程度。

因此，本文拟研究基于ZigBee网络的无线路由算法，探索如何优化节点之间的通信，提高网络性能，为WSN的部署和应用提供可行性方案。

二、研究内容和目标本文拟研究基于ZigBee协议的无线路由算法，主要包括以下方面的内容和目标：1.分析ZigBee网络的特点和路由算法的研究现状，探索基于ZigBee 协议的路由算法在WSN中的应用研究意义。

2.研究路由算法在ZigBee网络中的实现原理与方法，重点探讨多跳路由机制的设计和实现。

3.设计并实现基于ZigBee协议的无线路由算法，评估算法的可行性和优化效果。

4.采用仿真实验和实际场景验证实现的路由算法，分析算法的优化性能和适用范围。

通过以上研究内容和目标，本文旨在探索基于ZigBee网络的无线路由算法，提高传感器节点之间的通信效率和可靠性，为WSN的应用和数据采集提供技术支持和理论指导。

同时，本文也未来ZigBee网络和WSN 的未来发展提供更为有力的技术支撑。

三、研究方法和技术路线本文的研究方法主要包括文献研究、理论分析、算法设计、仿真实验验证和实际场景测试等方法。

ZigBee网络树路由改进算法研究.

ZigBee 网络树路由改进算法研究摘要：本文深入研究了zigbee 网络中树路由算法，并提出了基于邻居表的改进树路由算法（ntr）：找到源节点和目的节点的公共邻居节点；建立一种邻居节点选择策略。

ntr 在一定程度上可以解决树路由原有算法不灵活的缺点，节省了地址空间，提高了路由效率。

实验表明该算法减少了整个网络的路由费用和延时时间，节约了网络的能量消耗，提高了网络的实时性。

关键词：无线通信；zigbee；树路由；能耗0 引言随着科研领域及产业界的广泛努力，作为wpan（无线个域网）的热点技术之一的zigbee 技术已经取得了快速的发展。

自从zigbee 联盟颁布了1.0 版本的规范之后，它就在军事、个人通信、紧急和临时场合发挥着重要的作用。

特别是随着无线传感器网络技术的发展，这项技术受到了越来越多的关注和重视。

最新的消息表明，zigbee 联盟与 rf4ce 集团已经制定了适用于各种遥控型音频／视频消费类电子产品的zigbee rf4ce 规范，可以看出zigbee 技术自身以及与其他技术的结合将在各个领域发挥着主导作用。

目前 zigbee 所使用的路由算法之一的tree 路由算法只是按照单纯的父子关系来进行路由选择。

当一个节点接收到数据后，如果发现该数据并不是给自己的，那么它将根据自己的判断转发给它的父节点或者子节点，然后由其父节点或者子节点按照同样的过程继续传送数据。

整个路由算法完全没有路由发现过程，即完全没有路由开销的浪费。

但是tree 路由算法最大的一个缺点就是其建立的路由并不一定是最优或者最短的路径，同时又会在数据传输过程中带来大量的时延，特别是在大规模节点网络中会导致不均衡的流量分配与整体网络能量的消耗。

在文献和文献中，t. kim 和wanzhi qiu 等人提出了利用邻居表建立最短树路由的想法，以此来减少原有树路由的跳数，进而减少不必要的路由开销。

但是他们的文章里没有提到邻居表里的邻居节点是如何选择的，如果节点选择不当，也会对增加一定的运算量和存储空间，所以邻居节点的选择策略对于其网络性能的影响也不容忽视。

ZigBee路由协议算法的研究

摘 要
１ １ ６ ０ ２ ８ ）
通过 对 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ中的 Ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ — Ｔ ｒ ｅ ｅ算法以及 对 Ａ Ｏ Ｄ Ｖ ｊ ｒ中的路 由发 现进行研 究 ，在 Ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ —Ｔ ｒ ｅ ｅ邻居表 的
基础上提 出捷径路 由，从该 节点周围的邻居 节点 中找 出可 以用 少量跳 数 即可到达 目的节 点。此后通过路 由代价 函数 ，
ＹＡＮＧ Ｌｕ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ ｌ １ ６ ０ ２ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
种算法在某些条件下并不能有效地 降低能耗 ， 所 以应 合理地对路 由协议进 行改进 ， 从 而 达 到 理 想 的 网 络
性 能
图 １ Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 路 由 协 议 工 作 过 程
两 者进 行结 合 ， 重新 组 合 出一 种基 于能 量 同时 又 回归 于Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ基本 协议 的新 协议 ： 寻找 捷 径路 由与 路 由代 价 函数 相结 合 的协议 。整体 修 改方案 如 图 ２所 示 。
计 算通过 Ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ — Ｔ ｒ ｅ ｅ改进 算法 中找到节点路 径的能量使用代价 ，选择可靠性较 高的路 径 ，从 而可 以延 长 网络 生存 周
期 和 降低 能耗 。 最后 通 过 实例 ，验 证 了算 法 改进 的 可行 性 。 关键 词 Ｃ ｌ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ — ｔ ｒ ｅ ｅ ；捷 径 路 由 ；路 由代 价 函数

zigbee网络路由算法研究与优化


由分层协议, 利用分层策略找到最短路径, 降低能耗. 李志明[3]等人则引入了差分算法对最小生命周期求解, 使路由节点选择生命周期最长的簇进行通信. 王飞[4]则 通过 GA-PSO 算法通过对簇类节点优化而找到最优路 径. Li 和 Meng[5]等人提出对 RREQ 分组的泛洪进行控 制, 从而降低能耗. 高霞、徐海峰[6,7]等则提出将没有工 作的节点进行休眠来减少网络的能耗. 通过以上的这 些研究, 给本文研究提供了理论基础. 而本文则结合传
引用格式: 黄静,陈兰.ZigBee 网络路由算法研究与优化.计算机系统应用,2019,28(10):251–256. /1003-3254/7047.html
Research and Optimization of Routing Algorithm in ZigBee Network
① 基金项目: 国家自然科学基金 (51375459) Foundation item: National Natural Science Foundation of China (51375459) 收稿时间: 2019-02-25; 修改时间: 2019-03-15; 采用时间: 2019-03-25; csa 在线出版时间: 2019-10-15
HUANG Jing, CHEN Lan (School of Information Science and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China) Abstract: At present, ZBR algorithm is widely used in ZigBee network, but after research and analysis, the energy consumption of ZBR algorithm can be greatly reduced. Therefore, an improved hierarchical energy control algorithm is proposed in this study. The improved algorithm limits the spread range of RREQ packets by controlling the energy threshold of nodes, limits the depth of the network, discards unwanted RREQ packets and reduces them. The energy consumption of the network is compared with the original algorithm in terms of end-to-end delay, residual energy and packet delivery rate through NS-2 simulation experiments. The experimental results show that the improved algorithm can ensure the stability of the network transmission, reduce the delay and energy consumption, and maximize the network lifetime. Key words: ZigBee network; ZBR; routing algorithm; layered; NS-2; energy consumption optimization

降低ZigBee网络能耗的路由安全算法

降低ZigBee网络能耗的路由安全算法蒋建平;陈辉【期刊名称】《电子技术应用》【年(卷),期】2012(38)7【摘要】Based on the wireless sensor network of ZigBee technology, it is important to routing protocol in the network.The AODVJr protocols is the simplified of the AODV protocols.which will be widely applied in the ZigBee technology. But the AODVJr protocols did not provide security protect during the path of information and data transmission. This paper combied the SRP arithmetic and the tree route anthemeticat the same time,which considered the routing hop of local node.Such as drop the cost and improved the network data transmission safety functions in the ZigBee network.%基于ZigBee技术的无线传感网络中,路由协议起着极其重要的作用.AODVJr协议是AODV协议的简化,它在ZigBee技术中得到广泛的应用.虽然AODVJr协议相对于AODV协议来说进行了各种优化,在同等条件下其性能优于AODV协议,然而对路径信息及传输数据的安全方面并未提供保障.将SRP(安全远程密码协议)协议、AODVJr协议与树路由算法相结合并考虑了局部节点的路由跳数,以达到降低ZigBee网络的总能量、提高网络数据传输安全的目的.【总页数】4页(P140-143)【作者】蒋建平;陈辉【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN918【相关文献】1.一剂降低能耗的良方：记Erie公司降低能耗的经验 [J], 翁秀花2.一种基于能耗均衡的ZigBee网络高效混合路由算法 [J], 曹建玲;刘文朋;彭双;任智3.基于跨层机制的ZigBee网络PAN间能耗均衡路由算法 [J], 曹建玲;刘文朋;任智;樊海彬4.基于ZigBee网络的自适应剪枝能耗均衡路由算法 [J], 汪红;曾繁迪;田莎莎5.基于能耗降低的虚拟机动态迁移算法 [J], 李飞标;虞慧群;范贵生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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关键词： ＺｉｇＢｅｅ； 路由算法； 路由开销
中图分类号： ＴＰ３９３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００９－ ３０４４（２００８）０６－ １１０４３－ ０６
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｏｖｅｒ ｈｅａｄ
ＧＵＯ Ｚｈｕａｎｇ－ ｈｕｉ， ＨＵ Ｋｅ， ＷＡＮＧ Ｌｅｉ
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＺｉｇＢｅｅ； ｒｏｕｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ； ｒｏｕｔｉｎｇ ｏｖｅｒｈｅａｄ
１ 引言
ＺｉｇＢｅｅ 技术是一种新兴的针对于无线传感器网络的短距离无线通信技术。它依据 ＩＥＥＥ８０２．１５．４ 标准， 在数千个微小的传感器 之间相互协调， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器， 由于这些传感器只需要很少的能量， 所以具有 非常高的通信效率。与蓝牙和 Ｗｉ－ Ｆｉ 相比， ＺｉｇＢｅｅ 具有数据传输速率低、功耗低、成本低， 复杂度低、时延短、网络容量大、工作频段 灵活等特点， 其技术特性决定它将是无线传感器网络最具潜力的选择， 具有广阔的应用前景［１］。
若目的节点 是当前节点 的后代， 那么从 到 的下一跳节点地址 可以表示为：
（ 式 １） （ 式 ２）（ ３）２．２ 路由建立过程
路由的建立过程分为以下两大步骤： 第一步， 广播 ＲＲＥＱ 分组， 建立反向路由： 节点 创 建 并 向 周 围 节 点 广 播 一 个 ＲＲＥＱ 分 组 ， 如 果 收 到 ＲＲＥＱ 的 节 点 是 一 个 ＲＮ－ 节 点 ， 它 就 按 照 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 路 由 转 发 此 分 组； 如果收到 ＲＲＥＱ 的节点是一个 ＲＮ＋节点， 则在路由表中建立一个指向 ＲＲＥＱ 源节点的反向路由， 并继续广播此 ＲＲＥＱ 分组。 第二步， 回复 ＲＲＥＰ 分组， 建立正向路由： 经过一系列广播后， 一旦 ＲＲＥＱ 到达目的节点 （ ＲＮ＋） 或 者 目 的 节 点 （ ＲＮ－ 和 ＲＦＤ） 的 父 节 点 ， 此 节 点 就 向 ＲＲＥＱ 的 源 节 点 回 复 一个 ＲＲＥＰ 分组， ＲＲＥＰ 将沿着已建立的反向路由向源节点传输， 每个收到 ＲＲＥＰ 的节点建立到目的节点的正向路由并更新相应的 路由信息。 图 １ 给出了一个路由建立的例子。
首先判断目的节点与源节点的位置关系。如果目的节点是源节点的后代或源节点是目的节点的后代 ， 那么 ＲＲＥＱ 到达目的节 点后所发现的路径长度应不大于目的节点与源节点的深度之差， 即 ｌ＝│ｄ０－ ｄ│； 如果目的节点和源节点均不是对方的后代， 那么所 发现的路径长度应不大于目的节点与源节点相对于最高深度公共父节点的深度之和 ， 设 最 高 深 度 公 共 父 节 点 的 深 度 为 ｄｃ， 则 ｌ＝ｄ＋ ｄ０－ ２ｄｃ。作为特例， 当它们的公共父节点只有协调器节点时， ｄｃ＝０， 此时 ｌ＝ｄ＋ｄ０。
为了达 到 低 成 本 、低 功 耗 、可 靠 性 高 等 设 计 目 标， ＺｉｇＢｅｅ 网 络 中 采 用 了 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ＋ＡＯＤＶｊｒ 路 由 算 法 ， 结 合 了 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算 法和 ＡＯＤＶｊｒ 算法各自的优点。Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ（ 簇－ 树） 是一种由协调器展开生成的树型网络拓扑结构， 适合于节点静止或者移动较少 的 场 合 ， 属 于 静 态 路 由 ， 不 需 要 存 储 路 由 表 。ＡＯＤＶｊｒ （ＡＯＤＶ Ｊｕｎｉｏｒ）［２］是 对 按 需 距 离 矢 量 路 由（Ａｄ－ ｈｏｃ Ｏｎ－ Ｄｅｍａｎｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｒｏｕｔｉｎｇ， ＡＯＤＶ）［３，４］算法的改进， 充分考虑了降低成本 、节 能 、使 用 的 方 便 性 等 因 素 ， 简 化 了 ＡＯＤＶ 的 一 些 特 点 ， 但 是 仍 然 保 持 ＡＯＤＶ 的原始功能。
为了进一步合理地缩小传输范围， 尽量降低路由开销， 我们利用 ＺｉｇＢｅｅ 网络 的 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 参 数 Ｃｍ、Ｒｍ、Ｌｍ 和 目 的 节 点 的 网 络 地址 Ｄ０ 来确定 ＲＲＥＱ 的最大传输范围 ｌ。发起 ＲＲＥＱ 的源节点地址为 Ａ 深度为 ｄ， 均为已知量， 目的节点的深度为 ｄ０， 为未知量。下 面详细阐述求解 ｌ 的过程。
收稿日期： ２００８－ ０１－ １２ 基金项目： 国家自然科学基金重点项目（ ７０５３１０２０） 作者简介： 郭壮辉， 同济大学电子与信息工程学院硕士研究生， 研究方向为智能自动化； 胡柯， 同济大学电子与信息工程学院硕士研
究生， 研究方向为智能自动化； 汪镭， 江苏无锡人， 同济大学控制科学与工程系教授， 博士生导师， 从事智能自动化系统研 究。
路由开销是衡量路由算法性能的一个非常重要的指标， 它是传递数据分组时使用的控制分组总和， 较大的路由开销将会给网 络的运行带来负面影响。由于控制分组相对于数据分组是一种资源的浪费， 因此在保证网络的分组递交率和平均时延性能不受影 响的前提下， 尽量减少无用的控制分组， 降低路由算法的路由开销， 对于网络的优化和减负具有重要的意义。
２ ＺｉｇＢｅｅ 路由算法分析
在 ＺｉｇＢｅｅ 网络中， 节点使用 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法按照父子关系选择路径， 即当一个节点接收到数据分组后如果发现该数据分组不 是给自己的， 则只能转发给它的父节点或者子节点， 不存在路由发现过程， 然而由 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 建立的路由不一定是最优的路径， 会 造成分组传输时延增加， 而且容易造成网络中通信流量分配不均衡。为了提高路由效率， ＺｉｇＢｅｅ 中允许具有路由功能的节点使用 ＡＯＤＶｊｒ 算法去发现路由， 即具有路由功能的节点可以不按照父子关系而直接发送信息到其通信范围内的其它具有路由功能的节 点， 寻找通往目的节点的最优路径； 而不具有路由功能的节点仍然使用 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 路由发送数据分组和控制分组。由于 ＡＯＤＶｊｒ 的 使用， 降低了分组传输时延， 提高了分组递交率。 ２．１ 网络地址的分配机制［５］
图 １ 路由建立过程示意图
３ 降低路由开销的改进算法研究
由于 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法的使用， ＺｉｇＢｅｅ 路由相比 ＡＯＤＶｊｒ 具 有 较 少 的 路 由 开 销 ， 但 是 我 们 分 析 ＺｉｇＢｅｅ 的 路 由 机 制 ， 发 现 在 寻 找 路径的过程中仍然会产生很多多余的控制分组， 这些控制分组虽然也参与路由发现， 但对于最终找到一条最优路径并没有什么帮 助。如果我们能够在路由发现过程中适当地限制这些控制分组的产生或转发， 将能够显著地降低网络的路由开销。能否准确地找到 这部分控制分组是非常关键的， 因为如果抑制了一些可能找到最优路径的控制分组的产生或转发， 将会降低路由协议的性能（ 如分 组递交率、平均端到端时延等） 。
针对第 ３ 节对 ＺｉｇＢｅｅ 路由算法的分析， 我们从两个角度分析降低路由开销的策略： （ １） 限制 ＲＲＥＱ 分组的传输范围 ＺｉｇＢｅｅ 路由中， ＲＮ＋节点在选择路径时会向周围节点广播路由请求分组 ＲＲＥＱ， 网络中的其它节点帮助转发 ＲＲＥＱ 以便找到一 条通往目的节点的最优路径。这样随着网络业务量的增加， 节点需要处理的控制分组也会大量增加。路径的长度直接影响着网络的 各项性能， ＺｉｇＢｅｅ 在 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法中加人 ＡＯＤＶｊｒ 的一个主要原因就是为了寻找相比 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 更优的路径， 如果找到的路 径比按照 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法选择的路径长， 便没有了实际的意义， 而且较长的路径往往会对网络的平均端到端时延和寿命等产生负 面影响。因此， 如果我们能够事先确定 ＲＲＥＱ 分组的传输范围， 使之不超过节点按照 Ｃｌｕｓｔｅｒ－ Ｔｒｅｅ 算法找到的路径长度， 那么就能够 丢弃一些超出传输范围的控制分组， 达到降低路由开销的目的。
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网络通讯及安全
降低路由开销的 ＺｉｇＢｅ ｅ 路由算法研究
郭壮辉， 胡柯， 汪镭
（ 同济大学 控制科学与工程系， 上海 ２０００９２）
摘要： ＺｉｇＢｅｅ 技术是为无线传感器网络技术设计的一项新兴的低成本、低功耗的短距离无线通信技术。在分析 ＺｉｇＢｅｅ 路由机制的 基础上， 针对控制分组的传输范围和转发方向提出降低路由开销的改进方案， 并与原算法进行仿真分析。
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网络通讯及安全
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假定每个父节点最多可以连接 Ｃｍ 个子节点， 这些子节点中最多可以有 Ｒｍ 个路由节点， 网 络 的 最 大 深 度 为 Ｌｍ， 用 Ｃｓｋｉｐ（ｄ）表 示 网络深度为 ｄ 的父节点为其子节点分配的地址间的偏移量， 它的值可按如下公式计算：
对于地址为 Ａ 深度为 ｄ 的 ＺｉｇＢｅｅ 路由器， 如果地址为 Ｄ 的目的节点满足下面的不等式， 那么 Ｄ 是它的一个子节点： Ａ＜Ｄ＜Ａ＋ Ｃｓｋｉｐ（ｄ）
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电脑知识与技术
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（ ２） 限制 ＲＲＥＱ 分组的转发方向 由第 ３ 节路由建立过程中 ＲＲＥＱ 分组的广播机制可知， ＲＮ＋节点收到 ＲＲＥＱ 分组后如果发现自己不是路由的目的节点， 便向 周围所有的邻节点转发此 ＲＲＥＱ， 事实上这样做存在着很大一部分浪费， 而且随着转发跳数的增加， 此种无益的开销增加得更大。究 其原因主要有两点： 其一， 并不是所有的邻节点都有可能帮助其找到到达目的节点的最优路径， 有些邻节点几乎不可能找到通往目 的节点的路径， 而有些邻节点只会使路由选择走很大弯路； 其二， 在大多数路由算法的路由发现过程中， 数据可以传输的范围通常 限 制 在 网 络 直 径 的 范 围 之 内 ， 超 过 传 输 范 围 的 ＲＲＥＱ 会 被 节 点 丢 弃 ， 因 此 存 在 一 些 邻 节 点 由 于 距 离 目 的 节 点 太 远 而 不 可 能 将 ＲＲＥＱ 分组转发过去。从上述分析可知， 如果我们在每个节点转发 ＲＲＥＱ 分组前， 加入一个路由方向判断机制， 如果此节点是对路 由发现无益的节点， 令它丢弃分组不再转发， 那么可以节省很大一部分路由开销。随着网络深度的增加， 这种节省会更加明显。