Zigbee網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法的仿真與實(shí)現(xiàn)

龐 毅，王 超，孫青林，陳增強(qiáng)

(南開大學(xué) 信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院，300071 天津)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)若干的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，十分適合擔(dān)當(dāng)組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重任，有著重要的研究價(jià)值［1］.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求在有限供電的情況下對(duì)一定的監(jiān)測區(qū)域長時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大且具體位置未知，人工補(bǔ)充能量的方法已不適用，這就要求在不影響網(wǎng)絡(luò)功能的同時(shí)，盡可能地減小網(wǎng)絡(luò)能量消耗.尋找無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高能效的路由，建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，使網(wǎng)絡(luò)壽命延長已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的層次劃分是這些研究熱點(diǎn)首先要解決的問題.但是，現(xiàn)在大部分的路由研究均假設(shè)網(wǎng)絡(luò)層次已經(jīng)劃分完畢，沒有具體給出網(wǎng)絡(luò)層次的劃分過程［2－10］.本文基于Zigbee技術(shù)，提出了一種建立環(huán)狀層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分層方法.采用改進(jìn)的洪泛路由方法加以實(shí)現(xiàn)，通過在洪泛路由方法中加入層數(shù)更新機(jī)制與幀轉(zhuǎn)發(fā)控制機(jī)制，避免了資源浪費(fèi)與數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題，優(yōu)化了環(huán)狀層次結(jié)構(gòu)的建立過程.

1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法

1.1 Zigbee原有分層方法不足

Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用的是一種簇樹狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)層數(shù)，但這個(gè)層數(shù)只是反映節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器的第幾代子節(jié)點(diǎn)，在一定情況下可以反映距離上的關(guān)系，但是在某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的子設(shè)備已滿的情況下會(huì)出現(xiàn)層數(shù)無法反映實(shí)際距離的情況.如圖1所示，圖中黑色節(jié)點(diǎn)代表協(xié)調(diào)器，白色節(jié)點(diǎn)代表路由器和終端節(jié)點(diǎn).

圖1 Zigbee原有分層方法示意圖

在網(wǎng)絡(luò)形成階段，節(jié)點(diǎn)A距離協(xié)調(diào)器較近，但此時(shí)協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)數(shù)已經(jīng)達(dá)到最大，不能容納新的節(jié)點(diǎn)加入，所以A選擇與其較近的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)B加入網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)A的層數(shù)為2，但實(shí)際上A距協(xié)調(diào)器的實(shí)際距離與層數(shù)為1的節(jié)點(diǎn)B相同.

1.2 洪泛路由

洪泛路由［11］是一種簡單實(shí)用的路由方法，它既不需要計(jì)算路由，也不需要維護(hù)路由表.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行廣播，源節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到數(shù)據(jù)，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)再把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各自的鄰居節(jié)點(diǎn)，如此繼續(xù)循環(huán)，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或數(shù)據(jù)包的生存周期變?yōu)榱?這種方式實(shí)現(xiàn)簡單，而且不需要為計(jì)算路由和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜馁M(fèi)資源，目前比較流行的路由方式，如按需矢量路由(AODV)、臨時(shí)順序路由算法(TORA)等路由方式，都是用洪泛的方式進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)的.

洪泛路由也有其缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在盲目性和數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題上.洪泛是要求收到的數(shù)據(jù)全部進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，是盲目的、沒有目的性的，導(dǎo)致全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到數(shù)據(jù)，但最終需要接收到該數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，這就造成了巨大的能量資源的浪費(fèi).網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能多次收到同一個(gè)數(shù)據(jù)包，因?yàn)闊o論節(jié)點(diǎn)是否在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑上，都會(huì)接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這就使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)充滿了大量無用的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)的數(shù)據(jù)包會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多而幾何級(jí)的增長，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題.

1.3 基于改進(jìn)洪泛路由的網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層過程

本文根據(jù)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，對(duì)洪泛路由做了一些改進(jìn)，使得在洪泛的過程中各節(jié)點(diǎn)記錄下自己的層次，減少了資源的浪費(fèi)，同時(shí)也避免了數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題.Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要的任務(wù)是采集數(shù)據(jù)，最后的數(shù)據(jù)都需要匯集到協(xié)調(diào)器上，因此我們可以以協(xié)調(diào)器為中心，建立一個(gè)環(huán)型的網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)環(huán)之間的距離相等，其中協(xié)調(diào)器的層數(shù)定義為0，其他節(jié)點(diǎn)的層數(shù)為該節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，該數(shù)據(jù)包的最小轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù).

分層步驟如下:

(1)網(wǎng)絡(luò)建立后，協(xié)調(diào)器將自己的層數(shù)初始化為0，其他節(jié)點(diǎn)初始化層數(shù)為一極大值(大于本網(wǎng)絡(luò)最大估計(jì)層數(shù)即可);

(2)協(xié)調(diào)器發(fā)送分層確認(rèn)幀，分層確認(rèn)幀可以被任何節(jié)點(diǎn)收到;

(3)節(jié)點(diǎn)接收到分層確認(rèn)幀時(shí)，根據(jù)層數(shù)更新機(jī)制更新自己的層數(shù)，即層數(shù)更新為當(dāng)前層數(shù)和分層確認(rèn)幀的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)之中的較小值，同時(shí)將分層確認(rèn)幀轉(zhuǎn)發(fā)，直至分層確認(rèn)幀分發(fā)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò).節(jié)點(diǎn)可能會(huì)多次收到分層確認(rèn)幀，為了防止資源浪費(fèi)，引入幀轉(zhuǎn)發(fā)控制機(jī)制，即不對(duì)所有分層確認(rèn)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，只轉(zhuǎn)發(fā)使更新層數(shù)變小的分層確認(rèn)幀.

相應(yīng)的流程如圖2所示.

圖2 改進(jìn)洪泛路由的環(huán)狀分層流程

2 分層方法的計(jì)算機(jī)仿真

本文使用NS2(Network Simulator Version 2)仿真平臺(tái)對(duì)提出的Zigbee網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真.NS2使用C++和OTcl語言混合編程，即需要在底層編寫C++代碼完成路由協(xié)議等組件的添加或修改，然后再編寫OTcl腳本仿真［12］.

由于NS2是免費(fèi)開源的，因此研究者們可以對(duì)其進(jìn)行完善與分享，其中 IEEE802.15.4和Zigbee的核心代碼為 City College of the City University of the New York的Jianliang Zheng編寫的，他完成了物理層和媒體接入控制層的仿真，在其基礎(chǔ)之上仿真了Zigbee協(xié)議.

2.1 Zigbee原有分層方法仿真

本仿真是對(duì)Zigbee原有的分層方法進(jìn)行演示，仿真場景為50m*50m的場地中均勻分布21個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括協(xié)調(diào)器)，仿真結(jié)果如圖3所示.圖中節(jié)點(diǎn)上方所顯示的為其地址，括號(hào)內(nèi)顯示的為父節(jié)點(diǎn)地址和節(jié)點(diǎn)所處的層數(shù).可以看出即使在節(jié)點(diǎn)均勻分布的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee也不能很好的劃分網(wǎng)絡(luò)層次.例如，節(jié)點(diǎn)1、9、13、19距離協(xié)調(diào)器均為10m，但19節(jié)點(diǎn)卻被劃分到了第3層，這是因?yàn)?節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)最多所能攜帶的子節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，所以19節(jié)點(diǎn)不能成為0節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，而是選擇2號(hào)節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn).

圖3 Zigbee原有分層方法仿真圖

2.2 基于改進(jìn)洪泛路由的網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層仿真

對(duì)節(jié)點(diǎn)均勻分布與節(jié)點(diǎn)非均勻分布兩種情況進(jìn)行仿真.節(jié)點(diǎn)均勻分布場景:在尺寸為50m*50m的場地中，均勻分布101個(gè)節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)非均勻分布場景:在尺寸為50 m×50 m的場地中，隨機(jī)分布101個(gè)節(jié)點(diǎn).

仿真結(jié)果如圖4和圖5所示.圖4中可以明顯看出在均勻分布的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)被分為4個(gè)不同的層次，不同層次的節(jié)點(diǎn)以圓形、正方形、六邊形3種形狀來區(qū)分，節(jié)點(diǎn)上方所顯示的數(shù)字為節(jié)點(diǎn)的層數(shù)，同時(shí)層與層之間的間隔也是相等的.圖5中可以看出，即使在非均勻分布的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)同樣是被分成了4層，并且各層之間的界限比較清晰.

圖4 均勻網(wǎng)絡(luò)的環(huán)狀分層仿真

圖5 非均勻網(wǎng)絡(luò)的環(huán)狀分層仿真

3 環(huán)狀分層方法在CC2430 上的實(shí)現(xiàn)

CC2430芯片是TI/Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻芯片，是一個(gè)集成了所需設(shè)備的片上解決系統(tǒng)［13］.

3.1 網(wǎng)絡(luò)分層要求

分層需要將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按與協(xié)調(diào)器的距離分成不同的層次，最終目的是要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的跨層傳輸，這就要求節(jié)點(diǎn)應(yīng)有不同的發(fā)射功率，即不同的能級(jí)，不同的能級(jí)對(duì)應(yīng)不同的層次.例如協(xié)調(diào)器以第1級(jí)功率發(fā)送數(shù)據(jù)，則只有處于第1層的節(jié)點(diǎn)能夠收到，以第K級(jí)功率發(fā)送，則信號(hào)可以覆蓋到第K層.

3.2 CC2430的發(fā)射功率與傳輸距離研究

CC2430具有內(nèi)置的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)指示器，可通過寄存器RSSIL.VAL讀取并計(jì)算得出信號(hào)強(qiáng)度，從RSSIL.VAL讀出的值是8位有符號(hào)的二進(jìn)制補(bǔ)碼，轉(zhuǎn)化成10進(jìn)制，帶入公式1可以得出RSSI的值VRSSI

其中，VRSSI－OFFSET是固定的偏移量，是系統(tǒng)開發(fā)期間得到的經(jīng)驗(yàn)值，在CC2430中取－45.

在無線信號(hào)中普遍采用Shadowing［14］模型計(jì)算傳輸距離，計(jì)算公式如下:

式中:d是信號(hào)所傳輸?shù)木嚯x值，單位為米;p(d0)是在已知信號(hào)的傳輸距離為d0時(shí)，所接收到的信號(hào)強(qiáng)度;n是環(huán)境損耗指數(shù)，根據(jù)不同的環(huán)境取不同值;X［dBm］是均值為 0的隨機(jī)分布值.是接收到信號(hào)的平均強(qiáng)度.在實(shí)際的測量中，通常取d0=1，X［dBm］=0.將由公式1計(jì)算得出的VRSSI值帶入公式2，并推導(dǎo)得出公式3，以計(jì)算CC2430信號(hào)所能傳輸?shù)木嚯x:

其中A是在接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)相距1 m時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值.

當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)以最大功率(0 dBm)發(fā)射，接受節(jié)點(diǎn)以最小靈敏度接收數(shù)據(jù)時(shí)，VRSSI值為－85 dBm，此時(shí)實(shí)測得到A值為40，取n=2.5，帶入公式3，可得d=63.0 m.此為節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)傳輸距離.

CC2430的射頻輸出功率可以編程設(shè)置，從0 dBm到－25 dB m近似的分為8等份，可以通過RF寄存器控制，由于當(dāng)發(fā)射功率為0 dBm時(shí)，A=40，那么可以推算出其他7個(gè)能級(jí)的A值，公式為

其中，F(xiàn)為不同能級(jí)對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率.

由此我們可以計(jì)算出CC2430的8種不同的發(fā)射功率所對(duì)應(yīng)的傳輸距離，如表1所示.可以看出8個(gè)能級(jí)的發(fā)射距離基本上是等間距的，也就是說位于第1層的節(jié)點(diǎn)，可以使用第2能級(jí)的發(fā)射功率直接和第3層的節(jié)點(diǎn)通信.

表1 CC2430輸出功率與傳輸距離

3.3 環(huán)狀分層方法在CC2430上的實(shí)現(xiàn)

為了測試本網(wǎng)絡(luò)分層方法在實(shí)際節(jié)點(diǎn)中的運(yùn)行效果，采用3個(gè)CC2430組成網(wǎng)絡(luò).其中節(jié)點(diǎn)0x0001(以組網(wǎng)時(shí)分配給節(jié)點(diǎn)的16位短地址作為節(jié)點(diǎn)的編號(hào))和0x143E均處在協(xié)調(diào)器0x0000的1倍能級(jí)范圍內(nèi).

使用抓包工具對(duì)無線數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，圖6和圖7分別為分層確認(rèn)過程和協(xié)調(diào)器信息收集過程所抓取的數(shù)據(jù)包.

圖6 分層確認(rèn)幀

圖6中APS Cluster Id為分層命令的編號(hào)0x0003，APS Payload中為分層確認(rèn)幀被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，即相應(yīng)節(jié)點(diǎn)自己的層數(shù).圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)0x0001和0x143E均收到了協(xié)調(diào)器發(fā)送的分層確認(rèn)幀，并更新自己層數(shù).

圖7中APS Cluster Id為信息收集命令的編號(hào)0x0004，APS Payload中為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的層數(shù)信息(包括節(jié)點(diǎn)地址和層數(shù)).圖中可以看出，協(xié)調(diào)器0x0000首先發(fā)送信息收集命令，節(jié)點(diǎn)0x0001和0x143E在接收到命令后，將自己的層數(shù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器0x0000.

圖7 協(xié)調(diào)器信息收集過程中的數(shù)據(jù)包

4 結(jié)論

本文分析了Zigbee網(wǎng)絡(luò)原有分層方法的不足，提出了基于改進(jìn)洪泛路由的網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀分層方法，充分利用了洪泛路由優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了資源浪費(fèi)與數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題，適用于均勻網(wǎng)絡(luò)和非均勻網(wǎng)絡(luò)，為建立智能化的路由算法提供了良好的基礎(chǔ).在NS2中進(jìn)行了仿真，將Zigbee的分層結(jié)果與改進(jìn)洪泛路由的環(huán)狀分層結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果表明了環(huán)狀分層方法的優(yōu)越性.最后將環(huán)狀分層方法在CC2430上實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了測試，表明了此方法的可行性.

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