利用捎帶技術(shù)提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的方法

摘要：對(duì)構(gòu)建低速無線個(gè)域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)——ZigBee協(xié)議進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)討論其網(wǎng)絡(luò)層所支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及采用的路由算法。ADOVjr是AODV的簡(jiǎn)化算法，ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層使用該路由算法架設(shè)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，支持隨意的拓?fù)浼軜?gòu)。在深入研究AODVjr的基礎(chǔ)上，提出一種將因特網(wǎng)“捎帶確認(rèn)”技術(shù)應(yīng)用于ZigBee協(xié)議AODVjr路由算法的方案，并使用該方案架設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)證明該方案能降低算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，減少通信量，節(jié)約電池能量，有效提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的總體性能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 DSP2812
關(guān)鍵字： ZigBee協(xié)議；捎帶；AODVjr

1 引言

IEEE 802.11、藍(lán)牙、UWB等協(xié)議推出以來，在短距離的無線監(jiān)測(cè)、控制、數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但它們?nèi)匀淮嬖诠拇?、組網(wǎng)能力差等弱點(diǎn)。以組網(wǎng)能力強(qiáng)著稱的ZigBee協(xié)議能彌補(bǔ)上述協(xié)議的不足，特別適合于組建短距離低速無線個(gè)域網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

ZigBee協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟于2004年12月中旬正是推出，其介質(zhì)訪問控制子層（MAC）基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層采用Cluster-Tree+AODVjr路由算法，支持星形（Star）、樹狀（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)^[1]，算法可在簡(jiǎn)單的單片機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)^[2]。其中，單獨(dú)采用AODVjr（AODV Junior，簡(jiǎn)化的AODV）路由算法的Mesh網(wǎng)絡(luò)最為簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣泛。AODVjr算法是AODV（Ad hoc On Demand Distance Vector, Ad hoc按需距離矢量路由協(xié)議）算法的簡(jiǎn)化，它跟AODV一樣，與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，采用先問路由，再發(fā)送數(shù)據(jù)或命令的辦法^[3,4]。本文提出采用捎帶技術(shù)的AODVjr算法，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)捎帶在AODVjr的路由請(qǐng)求和路由應(yīng)答包中，大大提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信效率。DSP2812

2 ZigBee的AODVjr協(xié)議

ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層AODVjr算法是需求驅(qū)動(dòng)型的，由源節(jié)點(diǎn)選擇路由，它是針對(duì)AODV算法的簡(jiǎn)化改進(jìn)?？紤]到節(jié)能、成本、應(yīng)用方便性等因素，AODVjr簡(jiǎn)化AODV的一些特點(diǎn)，但是仍然保持AODV的主要功能。

首先，在AODVjr路由算法中，沒有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)，只有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送路由應(yīng)答（Route Reply，RREP）包，這樣可以避免循環(huán)問題和無效RREP包出現(xiàn)，提高通信效率。其次，AODVjr刪除路由錯(cuò)誤（Route Error，RERR）包及前驅(qū)列表（Precursor List）。另外，為了避免廣播風(fēng)暴，AODV中周期性發(fā)送的Hello包也被刪除。在ZigBee的集成路由算法中，AODVjr中的許多優(yōu)點(diǎn)使得路由協(xié)議簡(jiǎn)單化且實(shí)現(xiàn)AODV的基本路由功能^[5,6]。

圖1（a）和（b）是AODVjr算法尋找路由的方式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A要發(fā)送信息給節(jié)點(diǎn)D時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)自己沒有到節(jié)點(diǎn)D的路由，便通過組播（Multi-Broadcast）路由請(qǐng)求（Route Request，RREQ）包，請(qǐng)求其鄰居幫忙查找到節(jié)點(diǎn)D的路徑。每個(gè)接收到RREQ包的節(jié)點(diǎn)，都維護(hù)一條到節(jié)點(diǎn)A的路由信息，同時(shí)幫助節(jié)點(diǎn)A廣播查找節(jié)點(diǎn)D。通過這種洪泛（Flooding）方式，RREQ包會(huì)被廣播轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)D。節(jié)點(diǎn)D接收到RREQ包后，根據(jù)RREQ包的路由代價(jià)（Cost）決定是否更新自己的路由表，同時(shí)通過路由代價(jià)最小的路徑給節(jié)點(diǎn)A回復(fù)RREP包。節(jié)點(diǎn)A查找目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通常是通過組播進(jìn)行的，而節(jié)點(diǎn)D給節(jié)點(diǎn)A回復(fù)RREP包則通過單播（Unit-Broadcast）進(jìn)行的。節(jié)點(diǎn)A接收到節(jié)點(diǎn)D的RREP包后，根據(jù)Cost最小原則決定與節(jié)點(diǎn)D通信所走的最佳路徑。圖1中，節(jié)點(diǎn)A查找到節(jié)點(diǎn)D的最短路徑：A->B->C->D，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)D再通過D->C->B->A給節(jié)點(diǎn)A確認(rèn)信息。

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圖1 AODVjr算法查找路由及通信方式

在ZigBee協(xié)議里，AODVjr的RREQ包和RREP包作為網(wǎng)絡(luò)層命令傳送，成為單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，如圖2所示。其中命令標(biāo)識(shí)值等于0x01時(shí)是RREQ包，等于0x02時(shí)是RREP包；單字節(jié)的命令選項(xiàng)只使用一個(gè)比特，用于區(qū)分該路由包是單獨(dú)進(jìn)行路由查找還是進(jìn)行路由修復(fù)（Route Repair）^[1]。

   

（a）路由請(qǐng)求包                      

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 （b）路由應(yīng)答包                

（c）命令選項(xiàng)

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的命令包

3 捎帶技術(shù)在AODVjr的應(yīng)用

ZigBee網(wǎng)絡(luò)里的AODVjr屬于后應(yīng)式的按需Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，不周期性地更新自己的路由信息，只有在需要通信時(shí)，才發(fā)起路由查找過程。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)里，節(jié)點(diǎn)會(huì)移動(dòng)或者休眠，通信時(shí)幾乎每次都要重新查找路由，而每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量又比較少，絕大多數(shù)情況下只要傳送一次即可完成，如獲取傳感器的值。為了達(dá)到節(jié)能且降低通信復(fù)雜度的目的，可將互聯(lián)網(wǎng)中常用的“捎帶確認(rèn)”技術(shù)應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

所謂“捎帶確認(rèn)”，是指為了提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將確認(rèn)（ACK）信息附加在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包中，由這些數(shù)據(jù)包捎帶給源節(jié)點(diǎn)。DSP2812

采用捎帶技術(shù)后，如圖3（a）所示，源節(jié)點(diǎn)可以把要發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)或命令放置在RREQ包后面，成為網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的一部分，由RREQ包傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到RREQ包后，在給源節(jié)點(diǎn)回應(yīng)RREP包之前，處理源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)或者命令，將要發(fā)送的ACK或者數(shù)據(jù)由RREP包捎帶給源節(jié)點(diǎn)，如圖3（b）所示。

   

（a）捎帶數(shù)據(jù)或命令的路由請(qǐng)求包   

 （b）捎帶ACK或數(shù)據(jù)的路由應(yīng)答包 

（c）改進(jìn)后的命令選項(xiàng)

圖3 采用捎帶技術(shù)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)層命令包

如圖3（c）所示：引進(jìn)捎帶功能后，要修改AODVjr里的命令選項(xiàng)，將保留的7個(gè)比特用于表示捎帶數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，為0時(shí)表示此路由包沒有捎帶任何數(shù)據(jù)，是普通的AODVjr路由包。

沒有采用捎帶技術(shù)時(shí)，如圖1所示，源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)需要2個(gè)來回；改進(jìn)后只需要圖1（a）、（b）所示的一個(gè)來回。由此可見，將數(shù)據(jù)捎帶在路由包中，對(duì)于只需通信一次數(shù)據(jù)就可以傳輸完畢的情況，能夠節(jié)省一個(gè)來回的時(shí)間。這樣，網(wǎng)絡(luò)在通信延遲、節(jié)能、效率上都有優(yōu)化，同時(shí)降低通信復(fù)雜度。

4 算法的實(shí)現(xiàn)

4.1 協(xié)議棧

采用捎帶技術(shù)的ZigBee協(xié)議棧有3層，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。協(xié)議棧參考ZigBee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，物理層和介質(zhì)訪問控制層采用IEEE 802.15.4協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層僅使用捎帶技術(shù)的AODVjr路由算法，通過應(yīng)用支持子層與應(yīng)用層建立聯(lián)系。該協(xié)議棧簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效。

圖4 采用捎帶技術(shù)的ZigBee協(xié)議棧

4.2 路由設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（a）目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到RREQ包             

（b）源節(jié)點(diǎn)接收到RREP包

圖5 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)處理RREQ和RREP流程

采用捎帶技術(shù)后，對(duì)算法復(fù)雜度的影響不大。只要稍微改動(dòng)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送以及接收RREQ包和RREP包的程序即可，中間節(jié)點(diǎn)仍按普通的AODVjr包處理數(shù)據(jù)。

圖5是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)處理RREQ包和RREP包的程序流程，從中可以看出，捎帶技術(shù)并沒有增加算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。作者在美國(guó)赫立訊公司的IP-Link122x系列模塊中使用Keil C編程，實(shí)現(xiàn)使用捎帶技術(shù)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。該模塊通過美國(guó)FCC認(rèn)證，經(jīng)過ZigBee聯(lián)盟指定的德國(guó)萊茵TUV ZigBee實(shí)驗(yàn)室一致性測(cè)試，是符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議的模塊。本文算法運(yùn)行在模塊自帶的嵌入式芯片——Silicon Laboratories公司的8051內(nèi)核MCU上，采用Chipcon AS公司的射頻芯片CC2420收發(fā)數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研發(fā)過程中，可以使用Chipcon AS公司的IEEE 802.15.4包監(jiān)聽器（Packet Sniffer）分析空氣中傳送的數(shù)據(jù)包，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目的Ad hoc進(jìn)行測(cè)試，可取得良好的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中，采用Mesh拓?fù)洌?0個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)隨意分布在三層樓中，采用對(duì)等連接方式，僅使用AODVjr路由算法。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信的平均傳輸延遲及成功率，采用捎帶技術(shù)前后質(zhì)量對(duì)比如表1所示。從表1可知，傳輸延遲時(shí)間可以減少很多，且成功率有一定的提高。證明本文提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)的可行性。

表1 采用捎帶技術(shù)前后的通信質(zhì)量對(duì)比

6 結(jié)論

本文提出采用捎帶技術(shù)的AODVjr算法，同時(shí)給出簡(jiǎn)化的ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，并在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)該方案。實(shí)踐證明，采用捎帶技術(shù)能降低算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，減少通信量，節(jié)約電池能量，有效提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的總體性能。本方法還可以在其他使用AODV算法的網(wǎng)絡(luò)中推廣，具有一定的實(shí)用價(jià)值。DSP2812開發(fā)板

 

參考文獻(xiàn)：

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