基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通性改進(jìn)研究

趙立新，南楠

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低速率、低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因其連接硬件設(shè)備要求低、廉價(jià)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域[1]。目前，多數(shù)論文的研究方向集中在網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、功耗、數(shù)據(jù)廣播方法或路由算法的提高上，而這些研究的基礎(chǔ)都假設(shè)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有良好的連通性。實(shí)際情況中，因無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)多且隨機(jī)分布的特點(diǎn)，導(dǎo)致在互連過(guò)程中部分設(shè)備會(huì)成為孤立節(jié)點(diǎn)失去其通信功能，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的通信性能。本文提出了一種節(jié)點(diǎn)交換機(jī)制，促使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能重新建立連接，將盡可能多的節(jié)點(diǎn)加入到通信網(wǎng)絡(luò)中，使網(wǎng)絡(luò)獲得最佳的連通性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了三種類(lèi)型的設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器 (ZC)、ZigBee 路由器 (ZR) 和 ZigBee 終端設(shè)備(ZED)。ZC負(fù)責(zé)啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接受ZR和ZED的連接請(qǐng)求，擴(kuò)展ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)設(shè)備一般只能連接到一個(gè)協(xié)調(diào)器和路由器上。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型有:星型、網(wǎng)狀和樹(shù)形[2]。在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有ZC或已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的ZR可以周期性發(fā)送信標(biāo)幀傳輸信息通知其他節(jié)點(diǎn)，并判斷該節(jié)點(diǎn)是否能夠與孤立節(jié)點(diǎn)建立連接。若可以建立連接則成為父節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置路由器和終端設(shè)備狀態(tài)為真。ZR或ZED 獲知可連接的ZC和ZR在其通信范圍內(nèi)，隨即發(fā)送加入請(qǐng)求，通過(guò)驗(yàn)證后成為該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用分布式地址分配機(jī)制，為網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)地址空間來(lái)放置其子節(jié)點(diǎn)。同時(shí)定義三個(gè)參數(shù)來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)：設(shè)備最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)，設(shè)備最大深度，設(shè)備子路由器最大數(shù)。由于這些參數(shù)的限制，即使有些節(jié)點(diǎn)在通信范圍之內(nèi)，也會(huì)成為孤立節(jié)點(diǎn)而不能加入網(wǎng)絡(luò)[3]。有研究提出，假設(shè)在通信范圍內(nèi)存在有一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有可接受子節(jié)點(diǎn)的能力，可通知通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)其有可移動(dòng)性，則具有潛在父節(jié)點(diǎn)，該父節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)擴(kuò)展連接過(guò)程來(lái)分離器可移動(dòng)子節(jié)點(diǎn)并讓孤立節(jié)點(diǎn)加入，減少孤立節(jié)點(diǎn)數(shù)改善網(wǎng)絡(luò)的連通性。但如果潛在父節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)孤立節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求，則因無(wú)法選擇而不能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最佳連通性。

2 問(wèn)題描述

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹(shù)狀圖

圖1是一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的樹(shù)狀圖，在該網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：路由器連接最大數(shù)2，子節(jié)點(diǎn)最大數(shù)3，路徑最大深度3。由于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的限制，節(jié)點(diǎn)C、D、E、K成為孤立節(jié)點(diǎn)，無(wú)法加入網(wǎng)絡(luò)。按照算法思路節(jié)點(diǎn)M沒(méi)有達(dá)到最大數(shù)，可以將L與N斷開(kāi)現(xiàn)有連接，接入結(jié)點(diǎn)M上，此時(shí)節(jié)點(diǎn)K或節(jié)點(diǎn)C有可能加入到網(wǎng)絡(luò)中，如果節(jié)點(diǎn)K加入，則減少1個(gè)孤立節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)C加入網(wǎng)絡(luò)，則減少三個(gè)孤立節(jié)點(diǎn)，如何在算法中選擇一個(gè)合適的節(jié)點(diǎn)加入，即所要解決問(wèn)題。

3 網(wǎng)絡(luò)連通性增強(qiáng)機(jī)制

為增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)連通性，將增強(qiáng)機(jī)制分為兩個(gè)階段實(shí)行：第一階段是從孤立節(jié)點(diǎn)中選取最有可能加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并重構(gòu)部分網(wǎng)絡(luò)以便能連接更多節(jié)點(diǎn)；第二階段則是斷開(kāi)轉(zhuǎn)移節(jié)點(diǎn)以便接受更多節(jié)點(diǎn)過(guò)程。

斷開(kāi)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高網(wǎng)絡(luò)連通性，重點(diǎn)是子節(jié)點(diǎn)如何通知父節(jié)點(diǎn)其具有可移動(dòng)性，在此提出使用告知提醒的方法。如可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為ZR，在其MAC信標(biāo)中添加以字段作為可移動(dòng)標(biāo)志，父節(jié)點(diǎn)接受子節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)信標(biāo)后，將記錄添加到鄰表中，而ZED使用短消息通知父節(jié)點(diǎn)其可移動(dòng)，父節(jié)點(diǎn)相繼添加記錄到鄰表中，同時(shí)運(yùn)行擴(kuò)展連接程序，接受新節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)是否能接受新節(jié)點(diǎn)加入，需要在網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)中添加一項(xiàng)NSS，當(dāng)NSS被設(shè)置為T(mén)rue時(shí)，可以接受更多子節(jié)點(diǎn)。所使用擴(kuò)展程序描述如下：

(1)當(dāng)NSS被設(shè)置為T(mén)rue時(shí)，其潛在父節(jié)點(diǎn)發(fā)布可接收更多子節(jié)點(diǎn)消息，反之，則發(fā)布不能接收節(jié)點(diǎn)消息；

(2)當(dāng)潛在父節(jié)點(diǎn)同意子節(jié)點(diǎn)加入后，啟動(dòng)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制：即如果請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)為ZED設(shè)備，因其不能具有子節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，選擇深度最小的ZED節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)；若請(qǐng)求加入節(jié)點(diǎn)為ZR節(jié)點(diǎn)，則父節(jié)點(diǎn)選擇具有最多子節(jié)點(diǎn)的ZR同意其加入；若請(qǐng)求加入節(jié)點(diǎn)既有ZR又有ZED,因ZED節(jié)點(diǎn)不能接受子節(jié)點(diǎn)，所以選擇ZR成為潛在父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，但當(dāng)ZED節(jié)點(diǎn)多于ZR節(jié)點(diǎn)時(shí)，則選擇深度最小的ZED節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)[4]；

(3)確定可加入節(jié)點(diǎn)后，分離出原有父節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)子節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)接受孤立節(jié)點(diǎn)成為新的子節(jié)點(diǎn)；

(4)更新鄰表設(shè)置；

(5)如檢測(cè)父節(jié)點(diǎn)仍具有可分離子節(jié)點(diǎn)，并在其通信范圍內(nèi)還有孤立節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)至(1)繼續(xù)運(yùn)行，如沒(méi)有則停止構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

上述擴(kuò)展程序中要首先判斷父節(jié)點(diǎn)是否具有可分離節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)是否能連入附近節(jié)點(diǎn)構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其次才是判斷是否允許新的節(jié)點(diǎn)加入，加入時(shí)是選擇ZR或ZED，最優(yōu)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制的引入使重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提高聯(lián)通性得到了很好的改善。

4 節(jié)點(diǎn)交換機(jī)制

分離節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)交換機(jī)制，該機(jī)制運(yùn)行過(guò)程中定義一個(gè)新的關(guān)鍵字NUS添加到ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)中，當(dāng)關(guān)鍵字的值為T(mén)rue時(shí)，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行交換過(guò)程重新連入網(wǎng)絡(luò)中[5]。重新連入過(guò)程如圖2所示，即：

(1)當(dāng)NUS設(shè)置為T(mén)rue，同時(shí)ZR連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量小于可接受路由器最大數(shù)量時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)發(fā)布消息其可接收子節(jié)點(diǎn)，反之不能接收；

(2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自ZR的加入請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)ZR以最大深度分離子ZED設(shè)備；

(3)ZR分離子節(jié)點(diǎn)成功后，選擇其有效通信范圍內(nèi)包含字節(jié)點(diǎn)最多的孤立節(jié)點(diǎn)接受加入，成為其新的自節(jié)點(diǎn)；

(4)如果節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求，繼續(xù)步驟(1)。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)示例結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述理論，在圖2中，該結(jié)構(gòu)包含四個(gè)孤立節(jié)點(diǎn)：K，C，D，E。設(shè)ZC最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，ZR最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)為2，ZED最大深度為3。圖2中A、B為其潛在父節(jié)點(diǎn)，其原有L、N子節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)后可能連接到節(jié)點(diǎn)M上。啟動(dòng)擴(kuò)展連接過(guò)程后，首先斷開(kāi)原有子節(jié)點(diǎn)L、N的連接，同時(shí)各自掃描其通信范圍內(nèi)子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，因節(jié)點(diǎn)N具有兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，M節(jié)點(diǎn)只能添加一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，所以接受N為其子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)C與D、E一起加入節(jié)點(diǎn)B，構(gòu)成新網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)L 加入節(jié)點(diǎn)R為新節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)K連接到節(jié)點(diǎn)A成為其新的子節(jié)點(diǎn)。最終交換后的ZigBee網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模擬真實(shí)環(huán)境，設(shè)模擬環(huán)境寬度為200m2范圍內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸直徑范圍為30米，在此范圍內(nèi)采用連接比率來(lái)檢測(cè)算法的可行性。ZR接入數(shù)為N1，ZED接入數(shù)為N2，ZC接入數(shù)為N3，總結(jié)點(diǎn)數(shù)為N，則連接比率J為：

根據(jù)上述表達(dá)式，設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中ZC個(gè)數(shù)為1，ZR個(gè)數(shù)為40，ZED個(gè)數(shù)為0-60，同時(shí)ZC，ZR，ZED最大連接數(shù)分別為4、3、2。實(shí)驗(yàn)時(shí)，所有設(shè)備都處于靜態(tài)，ZC位于環(huán)境中心，其余隨機(jī)部署。如下表所示。

孤立點(diǎn)個(gè)數(shù)表

圖4 算法連接比率圖

上表為在ZigBee協(xié)議下和改進(jìn)算法下孤立節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，圖4為連接比率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。在試驗(yàn)中ZR的數(shù)目保持不變，ZED的數(shù)目以10 為單位增加，從圖4中可以看到，當(dāng)節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)增加到65左右時(shí)，連通達(dá)到飽和，所有連接比率開(kāi)始下降，但改進(jìn)算法的連接比率下降緩慢，且整體上改進(jìn)算法的連接比率一直都比ZigBee協(xié)議下高出2%-9%。試驗(yàn)表明，在改進(jìn)算法下，ZR可以連接更多的子節(jié)點(diǎn)，減少孤立節(jié)點(diǎn)，有效改善ZigBee網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的連通性。