降低路由开销的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。

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。

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。

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。

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。

一种降低节点能量开销的ZigBee路由算法优化焦慧平;孔国利【摘要】为解决ZigBee网络由于不合理的路由策略导致节点能量浪费和网络陷入局部死亡的问题，提出一种降低节点能量开销的ZBR路由算法。

所提ZBR优化算法在路由发送阶段，利用节点自动维护的邻居表信息，优先实现两跳路由传输；在路由发现过程中，根据最大传输跳数和节点间的父子关系，控制ZigBee网络中RN+节点RREQ分组的洪泛，减少能量浪费；在路由选择时，设计节点能量标志位和能量感知的路由成本函数，减少能量偏低节点的使用概率，降低网络开销和提高节点生存率。

通过与原ZBR算法及其他几种改进ZBR算法进行剩余能量和节点生存率对比仿真实验，结果表明：改进的ZBR算法的平均剩余能量提高了7.74%，在网络运行80 s时节点生存率提高了20.29%，也高于其他几种改进ZBR算法，该算法可有效减少网络能量消耗，大大提高节点生存率。

%Due to unreasonable routing algorithm,the ZigBee networks encounter node energyover⁃consumption and partial death. To solve these problems,a ZigBee routing(ZBR) optimization algorithm for reducing node energy consumption is pro⁃posed. The proposed ZBR optimization algorithm,inthe routing delivery stage,makes use the nodes to maintain neighbor table information automatically,and takes priority for a two⁃hop routing transmission;in the discovery process of routing,controls the RREQ packetof RN+ node to reduce energy dissipation according to the maximum hop number and the father⁃son relationship among the nodes;during routing selection,adds energy flags to the RN⁃ node to reduce the transmission probability of low ener⁃gy nodes and utilizes an energy⁃aware routing costfunction designed to cut down the network energy cost and improve the node's survival rate. Compared with the original ZBR algorithm and several other improved ZBR algorithms of the residual energy and node survival rate in the simulation experiment,the average remaining energy of the improved ZBR algorithm is increased by 7.74% and the node survival rateis increased by 20.29% in 80 s running of the network. The algorithm can effectively reduce the network's energy consumption and improve node's survival rate.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2016(039)008【总页数】4页(P68-71)【关键词】ZigBee网络;路由策略;能量开销;能量标志;节点生存率【作者】焦慧平;孔国利【作者单位】中州大学信息工程学院，河南郑州 450044;中州大学信息工程学院，河南郑州 450044【正文语种】中文【中图分类】TN926-34;TP393.2ZigBee是一种短距离、低功耗和低速率的无线通信技术，ZigBee网络节点主要依靠电池供电，由于节点体积小，节点的能量十分有限［1］，所以降低网络能耗是解决阻碍ZigBee网络应用发展的关键。

ZigBee技术网络层的路由算法分析ZigBee技术是一种低功耗、低数据速率、短距离无线通信标准，其拥有小型化、低成本的优点，被广泛用于物联网、智能家居、工业控制等领域。

在ZigBee技术中，网络层的路由算法是至关重要的一部分，因为它能够确保数据包正确的传输。

在ZigBee技术中，常用的路由算法主要有基于距离向量的算法、基于链路状态的算法和基于源路由的算法。

其中，基于距离向量的算法是ZigBee网络中最广泛应用的算法之一，主要是利用每个节点的距离向量信息计算出最佳的路径。

这种算法的优点是实现简单、易于部署、对网络的稳定性有好处。

但是，由于节点仅能获得其邻居节点的信息，使得该算法无法得到全局网络状态信息，容易产生路由环路问题，限制了它的应用范围。

基于链路状态的路由算法解决了距离向量算法中存在的路由环路问题，具有更好的路由总体性能。

该算法的主要思想是每个节点通过收集相邻节点的链路状态信息，构建出整个网络的拓扑结构，根据链路质量和信号强度等信息为每个节点计算出最佳的路由路径。

但是，该算法需要广泛的网络信息和大量的网络带宽，因此实现和部署成本较高，对节点能耗的影响也较大。

基于源路由的算法可以有效地避免路由环路问题和冗余流量，因为整个路径都是在源节点中计算的，而不是在网络中的中间节点上计算。

源节点负责为每个数据包计算出到目标节点的完整路径，并将该路径信息附加到数据包的首部。

该算法的优点是具有不可逆性和确定性等特点，可以提高网络的稳定性和性能，同时也更加灵活。

但是，实现该算法需要高速处理器和大规模的存储器，因此成本比较高。

总的来说，不同的路由算法具有适用于不同ZigBee网络环境的优缺点。

在实际应用中，需要根据具体的应用场景和网络规模选择适合的路由算法，以达到最佳的路由效果。

基于邻居表查询的ZigBee多播路由算法白乐强;王佳林;张士宏【摘要】由于ZigBee网络需要将信息以多播的方式进行传递,部分节点多次传输消耗大量能量,导致节点死亡,为缓解这个问题,提出了基于邻居表查询的ZigBee多播路由算法.该算法结合邻居表查询和ZigBee分布式地址分配特性,对ZigBee网络多播转发节点选择进行优化,使一个节点能给多个目的节点转发信息.仿真结果证明该算法减少了路由开销,节约了网络的能量,提高了网络的可靠性.%Due to lot of the ZigBee network information needs to be sent by the ways of multicast,parts of the nodes consume a large amount of energy in multiple transmissions,resulting nodes failure.To alleviate this problem,a ZigBee multicast routing algorithm based on neighbor table query is presented.The algorithm combines with neighbor table query and the ZigBee distributed addressing assignment scheme,making a node send the information to more destination nodes.The simulation results show that the algorithm reduces routing cost,economizes the energy of the ZigBee network and improves the reliability of the network.【期刊名称】《沈阳大学学报》【年(卷),期】2012(024)006【总页数】5页(P38-42)【关键词】ZigBee;邻居表;多播通信;路由选择;网络【作者】白乐强;王佳林;张士宏【作者单位】沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TP301.6ZigBee是一种开放性的低功耗、低成本、低数据速率、低复杂度、低分本、自组织的新型短距离无线通信技术［1］，是基于IEEE802.15.4标准的个域网协议［2］.ZigBee采用IEEE802.15.4制定的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）制定的标准，ZigBee的高层标准采用ZigBee联盟制定的网络层（NWK）、应用层（APL）等.ZigBee设备可以分为ZigBee协调器（ZC）、ZigBee路由（ZR）、ZigBee终端设备（ZED）等三种.由于ZigBee网络是自组织网络，每个路由节点对于整个网络通信的可靠性都起到关键性作用，工作方式不当造成的节点失效会造成网络的部分瘫痪，所以改进ZigBee传输算法是提高ZigBee网络可靠性的有效方法.文献［3］提出多播树传动比算法，该算法是量化了多播树的成本，考虑无线多播信道的链路质量，以及无线多播的特点提出的一种算法.文献［4］提出的网型多播算法是一种考虑到节约能量的无线传感器算法.针对节点移动的无线传感网络文献［5］提出了智能多播路由器发现机制的移动多播，文献［6］提出了本地树更改多播协议.对于实时性文献［7］提出了实时多跳无线多播路由算法，这些算法都适用于Ad-hoc形式网络，不能直接在WSN中应用，因为这些算法都是对于高存储高计算节点来设计的，文献［8］提出适用于ZigBee网络的多播算法、Z-CAST 路由算法.然而Z-CAST算法是根据树形结构路由表转发原理基础上进行信息的传送，在提高使用节点能量优化方面没有进行考虑.本文在Z-Cast算法基础上，针对转发多播信息过程中转发节点的浪费问题提出了ZigBee邻居多播路由算法（ZNMR）.该算法综合考虑目的节点的位置及规模来选择转发路径，对不同形式的多播组采用不同的路由算法，算法计算量小，适用于ZigBee网络多播信息的发送.1 模型的建立1.1 分布式地址分配ZigBee网络同其他无线传感器网络主要的不同之处在于其采用地址分配方式，它给每个潜在父节点提供一个有限的网络地址子块.整个网络的地址在一个特定的网络内是唯一的，由一个父节点分配给它的子节点.分配方案由分布式算法根据一系列网络自定义参数确定，网络协调者决定了整个网络的最大子设备数.每个设备有一个相关的深度，表示只使用父子链路传输的一个帧到达ZigBee协调器，必须经过的最少跳数.其中协调者自身的连接深度为0，其直接子设备为1.ZigBee协调器首先根据需要规定3个参数：网络的最大深度nwkMaxDepth（Lm），一个父节点可以有的子节点最大个数的值nwkMaxChildren（Cm）和一个父节点可以有的路由器子节点的最大个数nwkMaxRouters（Rm），其中Cm 应大于等于Rm，这样就可以保证协调器或者路由器可以连接至少Cm-Rm个终端节点.网络深度为d的路由节点所能分配的地址空间Cskip（d）满足公式（1）如果一个父节点它的深度是d，它的地址是Aparent，那么第n个子路由节点的地址如公式（2）：而它的第n个子节点地址如公式（3）：一个Cskip（d）值大于0的父节点设备必须接收子节点设备，根据子节点设备是否具有路由器功能，并给它们分配不同的地址.一个父节点给它的第一个路由功能子节点设备分配一个地址1，大于它自己的地址.ZigBee协调器为每一个ZigBee设备分配了一个固定的ID.并且每一个ZigBee节点不仅记录了父节点与子节点ID，而且记录了自己一跳邻居节点的ID.1.2 ZigBee网络转发模型Z-Cast的树形路由算法是根据父子关系进行信息转发，不需要路由选择，如图1所示，图中S为信息源节点，N3、N5、N6、N8、N10、N11为目的节点，ZC为协调器，信息从S向外转发.转发过程如虚线箭头所示，S通过N1、N2将信息发送给协调器，协调器再根据目的地址发送给子路由，最终信息到达目的节点.图1 树形路由算法的信息转发路径选择示意图Fig.1 Schematic diagram of Tree routing algorithm forwarding path selection该算法有两个问题，一是即使目的节点是信息源的邻居节点，多播信息也会根据父子逻辑关系，经过多跳才到达目的节点.二是该多播方法会消耗过多路由，尤其是Lm较小的节点.ZigBee邻居多播路由算法针对这两个问题进行了改进.信息源在转发信息之前首先给自己的邻居节点发送目的地址判断信息，邻居节点根据自己的邻居表来判断周围是否存在目的节点，根据存在情况选择是否接受信息源节点信息并转发.如图2所示，S将信息转发给N1、N4，两节点分别将信息转发给N3、N5.N5没有直接将信息转发给目的节点N6，而是转发给邻居节点中目的节点较多的N7节点，如此做可以节约转发路由数量及转播跳数，提高了网络的转发效率.图2 ZigBee邻居多播路由算法的多播信息转发路径选择示意图Fig.2 Schematic diagram of ZigBee neighbor multicast routing algorithm forwarding path selection2 ZigBee邻居多播路由算法ZigBee邻居多播路由算法定义一个转发优先级参数ForwardingLevel，ForwardingLevel初始化为-1.ForwardingLevel是一个整数，表示信息源节点一跳邻居节点的邻居表中未接受信息的目的节点的数量，目的节点越多Forwarding Level值越大，最大值为该节点一跳邻居节点数量，即该节点邻居节点都为目的节点，最小为0即没有目的节点.信息源转发多播信息之前首先比较本节点的邻居表，将信息转发给一跳邻居节点本身就是目的节点的节点，这些节点做出标记表示已接收该多播信息，以免重复接收信息.然后信息源所有一跳邻居节点根据ID从小到大开始确定转发优先级，开始寻找优先级最大转发节点.信息源确认一跳邻居节点的邻居表中未接受信息的目的节点数量，记为ForwardingLevel.若邻居表中无目的节点或目的节点都已接受该组多播信息则ForwardingLevel为0.当信息源确认过所有邻居节点优先级，选取ForwardingLevel最大的节点作为转发节点.若两个节点优先级相同则根据ID进行判断，ID小的优先级比ID大的优先级高.信息源其他一跳邻居节点Forwarding Level不变，以供信息源再次挑选转发节点时使用.当转发节点准备发送信息时，首先从信息源接受信息，然后将多播信息发送给未接受信息目的节点.转发节点将信息转发给所有邻居表中的目的节点后，该节点转发优先级ForwardingLevel置0，不再作为转发节点.信息源重新计算Forwarding Level大于0的信息源一跳邻居节点转发优先级，选择新的转发节点.直到信息源所有一跳邻居节点ForwardingLevel都为0，该信息源节点转发信息完毕，将自身的转发优先级Forwarding Level置0.根据ID从小到大在已接受信息的目的节点中重新寻找新的节点作为信息源，直到网络中所有目的节点都已经收到信息，该组多播信息发送完毕.ZigBee邻居多播路由算法流程图如图3所示.图3 ZigBee邻居多播路由算法流程图Fig.3 Flow chart of ZigBee neighbor multicast routing algorithm3 数据仿真及分析本文采用MATLAB平台进行仿真，对ZigBee邻居多播路由算法的可行性进行仿真以及对结果进行分析，在200m×200m的空间内随机生成50到200个ZigBee节点，按一定的比例从中产生目的节点.每个节点的最大传输范围为40m，节点能容纳最大子节点数Cm为6，节点深度Lm为4，并且所有节点都是稳定的.模型运行时假设物理层与数据链路层都正常工作.对ZCAST算法和ZigBee邻居多播路由算法进行试验.试验选取了50、75、100、125、150、175和200七种ZigBee节点数量规模的网络场景，其中随机各选择10%～50%比例节点作为目的节点，在随机生成场景的前提下，两种算法对随机选择信息源节点与选择ZigBee协调器（ZC）作为源节点两种情况进行仿真，每种场景仿真100次，统计仿真结果来求取平均值，取得的数据如表1～表4.表1 目的节点比例为20%信息源随机选取结果Table 1 Results of destination node ratio is 20%and the source is selected randomly50 75 100 125 150 175 200 Z-Cast算法 10.04 13.94 16.99 20.74 24.03 27.61 30.85 ZNMR算法算法节点个数7.31 10.78 13.48 15.95 17.63 18.99 20.3表2 节点数量为100信息源随机选取结果Table 2 Results of the number of nodes is 100and the source is selected randomly5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Z-Cast算法 10 13.22 15.68 16.99 18.86 19.87 21.02 21.73 22.44 24.11 ZNMR 算法 3.51 7.42 11.38 13.48 15.73 16.83 18.41 19.5 20算法目的节点数.61 21.73表3 目的节点比例为20%信息源选取ZC结果Table 3 Results of destination node ratio is 20%and the source is ZC50 75 100 125 150 175 200 Z-Cast算法 8.86 12.93 16.15 19.41 22.73 26.13 29.34 ZNMR算法算法节点个数6.9410.04 12.48 13.88 16.03 17.50 19.03表4 节点数量为100信息源选取ZC结果Table 4 Results of the number of nodes is 100and the source is ZC5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Z-Cast算法7.84 11.69 14.25 16.26 17.45 18.51 20.00 20.92 21.37 22.29 ZNMR 算法3.95 7.13 9.84 12.48 14.38 15.87 17.32 18.91 19算法目的节点数.87 20.51 图4 Z-Cast算法的信息转发路径选择图Fig.4 Z-Cast algorithm forwarding path selection图5 ZigBee邻居多播路由算法的信息转发路径选择图Fig.5 ZigBee neighbor multicast routing algorithm forwarding path selection图4、图5为100节点目的节点比为20%条件下随机生成的两算法的多播信息转发路径选择图，空心点表示ZigBee普通节点，十字节点表示目的节点，实心点表示转发节点，三角形表示信息源，坐标（100，100）的节点为ZigBee协调器，每一条黑色虚线表示节点之间传输信息.图4中信息源节点首先将信息发送给信息源的父节点，直到ZigBee协调器，协调器再将信息根据目的地址通过父子关系的路由节点转发给各目的节点.即使目的节点就在信息源附近，信息源也不会将信息直接发送给目的节点，这样对于整个网络的能量是一种浪费，而且每次新一组多播信息的发送都会使用Lm较小的路由节点，使上层路由过多的损耗，长期下去会影响网络可靠性.图5中ZigBee邻居多播路由算法使节点在转发信息之前进行判断，使信息呈放射状向整个网络的目的节点转发，每一次转发信息都有多个接收者，而且信息不必须经过协调器.这样转发不仅减少了转发节点，而且减少了Lm较小的路由的使用，提高了网络的可靠性.由表1可以看出在目的节点比例为20%情况下，随着节点个数不断增加，两算法的转发节点都随之增加.但ZNMR算法转发节点明显少于Z-CAST算法，且节点越多ZNMR算法的优势越明显.由表2可以看出在目的节点数量确定而目的节点比例不断增加的情况下，ZNMR算法转发个数也少于Z-CAST算法.但是当目的节点比例很大时，该算法转发节点个数逐渐接近Z-CAST算法，这是因为许多较上层的路由节点也成为了目的节点，所以无论使用何种算法转发节点个数都没有明显差距.对比表1表3，表2表4可以看出当ZigBee协调器作为信息源转发信息时，两算法转发节点都有少量的减少，但由表3表4可以看出ZNMR算法仍然适用于该网络，即信息源位置的选取对于不同算法之间转发节点数量的影响是不大的.4 结论本文基于邻居表查询和ZigBee分布式地址分配特点，结合传统的无线传感器多播路由算法提出了ZigBee邻居多播路由算法.采用MATLAB进行仿真，实验结果表明该算法减少了ZigBee多播路由转发节点，提高了多播算法效率，在节约能量方面有了很大改进.该算法对于大规模ZigBee网络多播信息发送是一个可改进的算法.【相关文献】［1］ ZigBee Alliance.Document 053474r17ZigBee specification［S］.2008.［2］ The LANMAN Standards Committee.IEEE Std 802.15.4TM-2003 ［S］.New York，USA：the Institute of Electrical and Electronics Engineers，2003.［3］ Jung Y，Choi S，Hwang I，et al.Cost-Effective Multicast Routings in Wireless Mesh Networks［J］.Communications in Computer and Information Science，2011（262）PART 1：262-271.［4］ Zeng G，Wang C，Xiao L.Grid Multicast：An Energy-Efficient Multicast Algorithm for Wireless Sensor Networks［C］.4th International Conference on Networked Sensing Systems，INSS 2007：267-274.［5］ Lee H，Han S.Intelligent Multicast Router Discovery Mechanism in Mobile Multicast［C］.Advanced Industrial Conference on Telecommunications／Service Assurance with Partial and Intermittent Resources Conference／E-Learning on Telecommunications Workshop AICT／SAPIR／ELETE 2005：152-156.［6］ Srinivasan T，Chandrasekar R，Vijaykumar V，et al.Localized Tree Change Multicast Protocol for Mobile Ad Hoc Networks［C］.Second International Conference on Wireless and Mobile Communications，ICWMC 2006.［7］ Yi J，Poellabauer C.Real-Time Multicast for Wireless Multihop Networks ［J］. 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ZigBee网络Cluster－Tree优化路由算法研究引言无线通信和嵌入式微传感器技术的快速发展促进了无线传感器网络的崛起。

ZigBee协议基于IEEE 802．15．4无线标准制定，包括应用层、网络层、安全层等，实现了网络的自组织和自维护的功能。

在无线传感器网络中，节点的能量是有限的，如果节点在最后因为自身的能量消耗殆尽而死亡，将会对整个网络的传输性能造成很大影响。

因此，在实际应用中，根据不同的网络情况来选择最符合应用需求的路由协议，让路由协议根据网络拓扑选择合适的路径，平均分布节点的传输能量，降低网络的功耗是网络层必须要考虑的任务。

1 ZigBee 路由算法研究依据设备的能力，ZigBee网络中的设备可以分为全功能设备(Full Function Device，FFD)和半功能设备(Reduced Function Device，RFD)。

FFD能转发其他设备的数据帧，RFD则不能。

当FFD加入一个网络时，它可以作为协调器。

协调器会周期性地广播数据帧，周围的RFD能够发现并加入网络，形成一个星型拓扑网络。

在星型拓扑中，协调器负责控制整个网络，所有终端设备都直接与协调器通信，并且由它维护。

ZigBee网络层还支持树型和网状网络。

树型网络采用分级路由的策略在网络中传送数据和控制信息，而网状网络则可以进行点对点的通信。

在树型网络中，根节点(协调器节点)和所有的内部节点(路由器节点)是FFD，而RFD只能作为叶子节点(终端节点)。

当协调器或路由器加入网络时，它必须被分配唯一的网络地址。

1．1 网络地址分配ZigBee协议规范使用一个分布式地址方案分配网络地址，它设计为给每个潜在父节点提供一个有限的网络地址子块。

当一个设备成功加入网络后，其父节点给该节点自动分配一个唯一的网络地址。

1．2 ZigBee路由算法网络层支持Cluster-Tree、AODVjr和Cluster-Tree+AODVjr算法(以下简称C+A算法)等多种路由算法，因此ZigBee网络的路由协议兼具树型网络和网状网络的特性。

ZigBee地址分配算法及路由策略研究与改进的开题报告一、选题背景及意义ZigBee技术是一种无线通信技术，被广泛用于家庭自动化、智能建筑、工业控制等领域。

ZigBee网络由大量的设备组成，这些设备需要被分配唯一的地址以实现互相之间的通信。

本论文将研究ZigBee地址分配算法及路由策略的问题，旨在提出一种有效的算法，用于更好地管理和传输ZigBee网络中的数据。

二、研究目标本论文的研究目标如下：1、分析ZigBee地址分配算法和路由策略的原理和优缺点；2、通过对现有算法的评估和分析，提出一种改进的算法；3、设计并实现改进的ZigBee地址分配算法，并对其进行性能测试；4、设计并实现改进的ZigBee路由策略，并对其进行性能测试；5、通过比较改进的算法和已有算法的实验结果，验证改进算法的有效性和优越性。

三、研究内容本论文将包括以下研究内容：1、ZigBee地址分配算法研究将分析现有的ZigBee地址分配算法，并比较其优缺点。

基于这些分析结果，提出一种改进的算法。

改进的算法将考虑如何更好地管理ZigBee网络的地址空间，避免地址冲突和浪费，并提高网络的可靠性和可扩展性。

2、ZigBee路由策略研究将分析现有的ZigBee路由策略，并比较其优缺点。

基于这些分析结果，提出一种改进的路由策略。

改进的路由策略将考虑如何更好地维护网络拓扑结构、保证数据传输的安全性和稳定性、以及提高网络的吞吐量。

3、实验设计与数据分析将设计实验评估改进算法的性能，并与现有算法进行比较。

实验数据将被收集并进行统计和分析，以评估改进算法的有效性和优越性。

四、预期结果本研究预期将提出一种改进的ZigBee地址分配算法和路由策略，可以有效地应用于ZigBee网络中的地址管理和数据传输，提高网络的性能和可靠性。

预期结果包括：1、改进的算法可以更好地管理ZigBee网络地址空间，避免地址冲突和浪费，并提高网络的可靠性和可扩展性。

2、改进的路由策略能够更好地维护网络拓扑结构、保证数据传输的安全性和稳定性、以及提高网络的吞吐量。