ZigBee的一種高效WSN網絡層設計

李蔚,童玲,田雨

(電子科技大學自動化工程學院,成都611731)

李蔚(碩士研究生),研究方向為測控技術與儀器;童玲(教授、博士生導師),研究方向為測試計量技術及儀器;田雨(講師、博士),研究方向為微波與通信測試。

引 言

微機電系統、片上系統、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展孕育出無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSN),并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網絡具有能量受限、多跳通信、拓撲結構頻繁多變等特征[1]。ZigBee[2]規范是基于IEEE802.15.4[3]標準的,具有低傳輸速率、低功耗、協議簡單、時延短、網絡容量大、優良的網絡拓撲能力等優點。這些優點極好地支持了無線傳感器網絡,因此許多研究機構把ZigBee作為事實上的無線傳感器網絡國際標準[4]。

1 無線傳感器網絡體系結構

如圖1所示,無線傳感器網絡的體系結構類似于TCP/IP協議體系,由物理層、數據鏈路層(MAC)、網絡層、傳輸層和應用層組成[5]。物理層負責數據的調制解調、信道編碼、無線發送與接收;MAC層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制;網絡層負責路由生成與路由選擇,維護等;傳輸層負責控制數據流的傳輸,保障數據通信質量。

2 網絡層實現平臺與實現方案

本文以TI公司推出的符合IEEE802.15.4標準芯片CC2531為核心的硬件平臺。CC2531以8051微處理器為內核,自身攜帶的射頻收發模塊既滿足無線通信需求,又滿足了低功耗設計。

在無線傳感器網絡中,網絡層是體系結構中的核心,主要功能:

①為上層提供網絡管理接口,上層可通過接口有效監視、控制網絡運行,查詢路由表、鄰居表等信息;

②負責路由生成與維護,路由選擇及數據轉發。

圖2是ZigBee規范給出的網絡層的參考模型。數據服務可以通過網絡層數據服務訪問點訪問(NLDE_SAP),管理服務可以通過網絡管理服務訪問點(NLME_SAP)訪問。

圖1 無線傳感器網絡體系結構

圖2 網絡層參考模型

2.1 網絡層數據服務實現

如圖3所示,網絡層的數據服務分為發送和接收服務。網絡層接收到MAC數據幀,由函數 handle_mcps_data_ind()對其進行解析,交給網絡層數據幀或命令幀處理函數處理。對于網絡層數據幀,處理函數將判斷自己是否是目的地或該幀是否是廣播幀。如果是,則送上層處理;反之將數據幀交給轉發函數 nwk_forward()處理,為該幀尋找路由,并通過發送函數nwk_tx()發送到MAC層。對于需要轉發的命令幀,則同樣交由轉發函數處理。

圖3 網絡層數據服務實現

對于上層實體,可通過 nlde_data_request()發送數據,網絡層同樣將交由轉發函數處理并發送出去。轉發函數在發送和接收處理過程中,實現網絡層一個重要功能,即數據幀選擇路由,或選擇性地把數據幀緩沖起來并發起路由發現。

2.2 網絡管理服務實現

網絡管理服務主要是為上層提供網絡管理接口。

網絡的建立進程由協調器上層通過調用nlme_network_formation_req()發起。首先通過調用MAC層的能量掃描服務,對指定的信道進行能量檢測。掃描完成之后選擇能量可接受范圍的信道,接著調用MAC層的主動掃描服務對選擇出來的信道進行網絡發現。主動掃描完成之后,選擇存在網絡最少的信道,進行網絡建立。

設備加入網絡進程是設備的上層通過調用nlme_discovery_network_req()發起的。函數首先調用MAC層的主動掃描服務在指定信道上進行網絡發現,旨在發現通信范圍內的網絡設備,并存儲到自己的鄰居表中。網絡發現完成之后,選擇一個網絡深度最小設備作為父節點,并發出入網請求。父節點收到入網請求之后,給請求設備分配一個網絡地址并附在請求響應中。請求設備接收到響應之后,設備成功的加入網絡。

設備離開網絡的進程是上層通過調用nlme_leave_req()發起的,函數將廣播一個離開命令,其他設備收到離開命令后,將刪除對應設備的路由表項和鄰居表項,表示設備已經離開了網絡。

3 路由算法實現

路由算法是網絡層的核心和難點,無線傳感器網絡的應用特點要求路由算法簡單高效。本文基于ZigBee規范,主要實現最小路由成本的多跳路由算法和多對一路由算法。最小路由成本算法是以最小路由成本選擇最優路徑,多對一路由算法是輔助算法。為了減輕匯聚節點附近的節點負載,本文把支持該算法的設備定義為集中器。為實現路由算法,本文制定了3個命令:路由請求命令、路由響應命令、路由記錄命令。同時制定3種表:路由表(表1)、路由發現表(表2),路由記錄表(表3)。路由器需要維護路由發現表和路由表,集中器需要維護3種表。

表1 路由表項

表2 路由發現表項

表3 路由記錄表項

3.1 路由發現的發起

路由發現的發起一般在轉發函數處理過程中,沒有相應到目的設備的路由時,則調用nwk_init_discovery_route()發起路由發現。該函數將檢查路由發現表,看其是否有與發起者和路由請求命令幀序列號相對應的表項。如果有,則認為已經發起了路由發現,這時就可以等待路由發現完成;反之,則廣播一般的路由請求命令,同時向路由發現表添加新的表項,表項的路由請求命令幀序列號設為路由請求命令幀的序列號,發起者地址設為節點地址,發送者地址設為發送路由請求命令的地址,累積的前向成本設為0。網絡層還需向路由表添加新的表項,表項的目的地址設置目的設備的地址,狀態域設置為路由發現中其他標志域名都設置為FALSE。

對于支持多對一路由算法的集中器,路由發現的發起是周期性的,廣播多對一路由請求命令幀,路由請求的目的地址為廣播地址,這是為了讓其他設備可以維持到集中器的路由。集中器不用添加新的路由表和路由發現表項。

3.2 處理路由請求命令

其他設備接收到廣播的路由請求命令時,分為一般路由請求和多對一路由請求處理。處理一般的路由請求的處理流程如圖4所示。

圖4 處理一般路由請求流程

對于多對一路由請求,路由發現表項的處理和一般的路由請求的處理是一樣的,區別在于路由表中是建立到集中器的路由。路由表項的Many-to-one域和路由記錄發起域設為TRUE,同時還應轉發該路由請求命令幀。

3.3 處理路由回復命令

路由回復命令是一般的路由請求發起的,設備的接收到路由回復命令時,處理流程如圖5所示。

3.4 發起和處理路由記錄命令

集中器周期性發起路由發現時,接收設備都建立了到集中器的路由,但集中器并沒有到其他設備路由。多對一路由算法采取了一種策略:設備在向集中器發送數據之前,向集中器發送一個路由記錄命令,目的是讓集中器可以記錄設備轉發數據的路徑,路徑是由到集中器的路由確定。初始時,路由記錄命令在載荷域記錄當前設備的地址,中繼計數記為1。

圖5 處理路由回復流程

設備接收到路由記錄命令時,把自己的網絡地址附在命令幀的載荷中,并把中繼計數加1,同時轉發該路由記錄命令到下一跳設備。如果是集中器接收到路由記錄命令,則向路由記錄表添加新的表項,表項的目的地址域設為路由記錄命令的發起者,中繼計數設為命令幀載荷中的中繼計數,載荷中的地址集合則存儲在路徑域。

當集中器向設備發送數據時,則把相應的路由記錄表項的路徑域附在數據幀中,設備中繼該數據幀時,則根據數據幀的路徑域來轉發到目的設備。

結 語

本文的實現方案在CC2531的硬件平臺上進行了驗證,實驗表明,路由算法滿足無線傳感網絡的多跳通信和低功耗要求,同時有效減輕了網絡設備的負載。網絡組網具有自組織性,網絡管理接口擴展性強。

[1]Akyildiz IF,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.A Survey On Sensor Networks[J].IEEE Communications M agazine,2002,40(8):102-114.

[2]ZigBee Alliance.ZigBee Specification ZigBee Document 053474r17[S],2008-01-17.

[3]IEEE 802.15.4-2003.Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specification for Low Rate Wireless Personal Area Networks[S],2003.

[4]孫利民,李建中,陳渝.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[5]王殊,等.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.