ZigBee無線傳感器網絡樹狀路由協議研究

孫 靜，于 洋

(吉林師范大學 計算機學院，吉林 四平 136000)

隨著科學技術的進步，尤其是微電子技術、通訊技術及計算技術的飛速發展.無線傳感器網絡成為目前的一個研究熱點[1].目前的無線通信技術主要致力于如何提高通信速率，而在智能家庭和工業控制領域，迫切需要一種低復雜度、低功耗、低速率、低成本的無線通信技術.為了滿足這種要求，在2002年8月，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半導體公司成立了ZigBee聯盟，并于2004年12月，正式公布了無線通信技術ZigBee的1.0標準.ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗的無線傳輸技術[2]，工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20kb/s～250kb/s，傳輸距離為10m～75m，為小型設備的無線聯網和控制制定的協議規范，主要適用于無線傳感器網絡、自動控制和遠程控制領域.它依據IEEE802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信[3].

1 ZigBee協議

1.1 ZigBee協議棧

ZigBee網絡由三種節點組成，ZC(ZigBee協調器)，ZR(ZigBee路由節點)，ZED(ZigBee葉子節點).ZC是網絡的中心節點，負責網絡的組織和維護.ZR負責網絡內信息幀的路由，而ZED則是實現具體功能的單元.ZigBee網絡有三種拓撲形式，分別為：星型網(star)、簇樹網(cluster tree)和網狀網(mesh)[2，3].

ZigBee協議棧架構如圖1所示，IEEE802.15.4定義的是PHY和MAC層[4].在MAC子層上面提供與上層的接口，可以直接與網絡層連接，或者通過中間子層——SSCS和LLC實現連接.ZigBee聯盟在IEEE802.15.4基礎上定義了網絡層和應用層[5].ZigBee協議網絡層的主要功能為尋址、路由與安全，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree+AODVjr等路由算法.[6，7]

圖1 ZigBee協議棧

1.2 ZigBee網絡地址分配

在ZigBee網絡中，只有一個節點作為ZC，其它節點都是ZR或者ZED.全功能設備(FFD)可作為ZC和ZR，而簡化功能設備(RFD)只能作為ZED.網絡中每個結點有兩個地址：16位短網絡地址和64位IEEE擴展地址.16位網絡地址在結點加入網絡時由其父結點(協調器/路由)動態分配，該地址僅用在路由或數據傳輸時使用，與Internet的IP類似.而64位擴展地址類似于MAC地址，它唯一地標識每個設備，是固定的.

ZigBee網絡有兩種地址模式，即靜態地址分配和樹狀(tree)地址分配，網絡結構通常采用簇樹網，節點地址是由其父節點采用分布式地址分配方案進行分配.ZC確定整個網絡節點的數目，每個節點都擁有一個網絡深度，用以指示在其父子鏈路上數據傳輸到協調器的最小跳數.協調器的深度為0，而它的孩子節點的深度為1.顯然，多跳網絡中的深度是大于1的，網絡的深度是由網絡協調器來決定的.在ZigBee網絡中，假設一個父節點有最大孩子節點數為Cm，網絡的最大深度為Lm，一個父節點的最大路由數Rm，可以計算網絡中每個節點的功能函數Cskip(d)，其函數式為：

(1)

式中的d是節點到ZC的深度.如果Cskip(d)的值為0，則表明此節點為葉子節點，而Cskip(d)的值大于0，則表明該節點可作為一個父節點，這個父節點可以接收子節點并根據它們是否具有路由能力來分配地址.具體過程是：首先一個子節點的地址被分配，子節點地址比父節點的地址多1，然后其余節點根據下式求出.

An=Aparent+Cskip(d)*Rm+n

(2)

式中1≤n≤(Cm-Rm)，Aparent代表父節點的地址.

1.3 ZigBee網絡路由協議

ZigBee網絡有兩種路由模式：網狀(mesh)路由和樹狀(tree)路由.網狀路由和AODV路由算法相似，樹狀路由也就是簇樹路由算法.本文針對ZigBee簇樹網的樹狀路由機制進行了詳細的剖析和研究.

樹狀路由非常適用于對時間要求敏感的無線傳感器網絡(WSM).ZC或ZR接收到信息后，設備的地址通知ZC和ZR路由的目的.設備的地址計算方法使用Cskip(d-1)函數，之后通過簡單的比較得知該向父結點路由還是向子結點路由.即如果LocalAddress(A)

(3)

A是設備地址，D是目的地址，d是網絡中設備深度.A

網狀路由使用路由表，ZC或ZR維護路由表.如果有目的路由表入口，則應用路由表入口直接向目的發送信息.該路由機制支持非信標使能模式.

2 樹狀路由協議分析

2.1 樹狀路由機制

圖2 網絡層幀格式

樹狀路由機制基于網絡層的地址模式[6]，網絡層數據幀格式[2，5]如圖2所示.

設備讀出幀信息中的路由域檢測目的地址.如果路由域的目的地址等于它本身的地址，則向上層傳送有效載荷；如果路由域目的地址不是設備的本身地址，需要根據公式(1)計算下一跳地址.如果是該設備的孩子地址(鄰居表檢測)，則向正確的孩子地址轉播該包；如果不是設備的孩子地址，設備根據公式3檢查該地址是否是其子孫，如果不是其子孫，則向它的父節點轉播該包.樹狀路由機制的具體過程如圖3所示[7-9].

圖3 樹狀路由流程圖

2.2 實驗分析

2.2.1 建立簇樹網

表1 簇樹網模擬參數

建立一個簇樹網，模擬參數如表1所示.根據公式(1)計算簇樹網各節點的地址，結果如表2所示.

表2 ZigBee的簇樹網的節點地址分配

以上網絡參數和節點地址建立的網絡結構如圖4所示.

圖4 簇樹網結構

2.2.2 實驗結果

在圖3的簇樹網中，網絡地址是0x000A的設備8向網絡地址是0x0005的設備5發送信息.信息路由如圖3的箭頭指示.根據圖5的實驗結果，終端結點向sink結點的數據是沿著父-子關系向根結點路由的，如每個結點向它的父結點中繼數據.另一方面，傳感器到傳感器，sink結點到傳感器的通信，由ZigBee提供的層次地址模式，根據數據的終端地址，數據包沿著簇樹結構向下或向上路由.即在圖4中，首先設備8組建數據包，它的有效載荷發向下一個設備，該數據幀內容包括幀控制0400，目的地址0500，源地址0C00，距離00，序列號17和幀有效載荷.設備8是ZED，因而目的地址不可能是其子孫，這樣要向它的父節點設備6路由.從圖5的第一個信息幀可以看出，幀格式的控制域顯示這是數據幀，源地址是0x000C，目的地址是0x0009，這正是設備6的地址.因為設備1是ZC，它要向其孩子節點設備2路由.而在第四個數據幀可以看出源地址是0x0000，目的地址是0x0001，這是子設備2的地址.

圖5 信息路由

3 結束語

本文針對ZigBee無線傳感器網絡的樹狀路由協議進行了詳細的剖析和研究，并結合具體實驗對該協議進行了測試，為其相關實現軟件的開發提供有價值的參考.

參考文獻：

[1]Ian F Akyildiz，Wang XD，Wang W L.Wireless mesh networks:a survey [J]. Computer Networks， 2005，47(4): 445～487.

[2]ZigBee Alliance.ZigBee Specification[Z].Version 1.0，2005-06-27.

[3]ZigBee Alliance.Document[EB/OL].http://www.zigbee.Org.(2004-12-15).

[4]LAN/MAN Standards Committee.Part 15.4:wireless Medium Access Control (MAC) and PHysical Layer (PHL)specifications for lowrate wireless personal area networks[EB/OL].http://www.zigbee.Org/.(2004-08-30).

[5]Anneleen Van Nieuwenhuyse，Mário Alves，Anis Koub.a.On the use of the ZigBee protocol for Wireless Sensor Networks[Z].Version:final.Date:2006-06.

[6]Edgar H，Callawy J，Callaway E H.Wireless sensor networks:architectures and protocols[M].New York: auerbach publication，2003:260-300.

[7]AndréCUNHA，Mário ALVES，Anis KOUB.A Implementation of the ZigBee Network Layer with Cluster-tree Support [Z]. Version:1.0 Date:26-05-2007.

[8]AndréCUNHA，Mário ALVES，Anis Koub.a.An IEEE 802.15.4protocol implementation (in nesC/TinyOS):Reference Guide v1.2[Z].Version:1.2，2007-05.

[9]Kinney P.ZigBee technology:wireless control that simply works[EB/OL].http://www.hometoys.com/htinews/octO3/a rticIes/kinney/zigbee.Htm.(2004-08-30).