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文檔簡介
基于aodv協議的zigbee路由技術
1無線網狀網絡分簇策略的提出zigba網絡技術將zigba技術與網絡技術的許多優點結合起來,如zigba技術的油耗、電池壽命長、網絡成本低、網絡能力強等。此外,zigba技術還具有多跳轉技術、動態路徑和高可靠性等。但是,ZigBee網狀網技術也有一定的缺陷,如不適合傳輸大量數據,只能進行低速數據傳輸;雖然擴大了網絡的覆蓋范圍,但是過多的節點會增加消息傳遞的延遲和通信的開銷等。目前無線傳感器網絡的網狀網的實現是以AODV(Ad-hocOn-demandDistanceVector)路由方式為基礎的,網狀網絡之所以有這么高的可靠性,主要依賴于多跳技術——多跳是指數據不斷從一個節點跳到另一個節點。因為數據從一個節點不斷傳送到另一個節點,又因為網狀網絡有好多節點,所以任何一個節點到另一個節點之間的路徑總是不止一條。結果,要是某個節點因某種原因出了故障,從其他節點發來的數據包就可以繞開它,走另一條路徑到達目的地。根據無線網狀網絡的特點,采用何種路由選擇策略使得網絡吞吐量最大,可擴展性較好,成為無線網狀網絡研究的一個關鍵性問題。ZigBee采用按需路由算法AODV,在節能和網絡性能上都有著很大的優勢。AODV路由協議是無線網絡中最經典和最廣泛地被研究的按需路由協議之一。它的主要特點是使用系列號來標識一條路由的新舊程度,同時也利用系列號來避免路由環的產生。為了減少傳輸數據的首次延時,AODV允許具有積極路由的中間節點直接響應路由請求。當節點探測到路由失敗后,該節點可以先進行局部修復,修復不成功,再發送錯誤報告給上游節點,以便源節點重新建立路由。AODV協議大大提高了無線傳感器網絡的路由效率,然而由于AODV協議比較簡單,因此還存在著各種各樣的問題。AODV路由協議在通常情況下能工作得很好,但當節點數較多時,協議的性能就會急劇下降,這是因為AODV的路由發現本質上還是使用泛洪方式的擴散法,當網絡規模較大、節點數較多時,RREQ等路由控制報文激增,導致網絡超負荷運行和擁塞,大大降低了網絡的性能。因此,減少網絡中路由報文的數量,是提高性能的關鍵。本文提出了一種基于AODV的分簇策略,即AODV-Cluster。所謂簇,就是具有某種關聯的網絡節點組成的集合,在簇內,通常有一個按一定的規則選舉產生的、被稱為簇頭的節點,用于管理或控制這個節點集合,除簇頭節點外,簇內的其他節點可以被稱為成員節點,具有可擴展性好、便于管理等特點。2關于路由協議的設計2.1拉格爾在微信站以及將其所建由于AODV是一個被廣泛接受的路由協議,因此在設計協議的時候,在充分考慮了AODV協議的優點基礎上又提高了協議的可擴展性,以適合更大規模的網絡。在AODV_Cluster協議中,保留了AODV的所有的控制報文,如RREQ報文和RREP報文,并根據需要又增加了一些新的路由控制報文,如簇首廣播報文、路由更新報文等。在剛開始路由發現的時候采用了AODV的泛洪式路由發現機制,先廣播RREQ包的方式來找目的節點,只不過在形成路由過程以后,則同一個簇內的節點都共享這條路由信息,從而減少了整個網絡的路由開銷。本協議在設計的時候首先把整個ZigBee網絡分成多個簇,每個簇又有多個節點組成,這些節點按功能又分成3種類型的節點:簇首(ClusterHead),簇成員(ClusterMember)和網關節點(Gateway),簇首作為簇的中心負責路由過程建立后向簇內成員廣播和簇結構的建立,收集簇成員的數據,經融合處理后發送給網關節點。2.2打造更合理的網絡配置AODV_Cluster把ZigBee網絡分成多個簇組成,則簇的劃分有一個方法,這個方法是在下面的規則基礎上建立的:(1)中心節點是一個簇首。(2)簇首必須是有路由能力的節點,且網絡深度為偶數的節點。(3)深度為奇數的節點則屬于它的父節點的簇。(4)終端節點的簇屬于它的父節點的簇。簇首建立過程如圖1所示。簇建立的過程是在路由發現開始的時候形成的,根據節點分布的密集度來劃分。最后選為簇首的節點的短地址即是該簇的標簽。為了更合理地劃分簇,而且根據ZigBee網狀網的特點,在隔一個深度的基礎上劃分,因為中心節點的深度為0,而且中心節點是一個簇首,所以選擇了深度為偶數的路由節點里面選擇一個簇首,而且每個簇的標識就是這個簇的簇首的短地址,比如以中心節點為簇首的一個簇,簇標識為0x00,除了中心節點為簇首形成一個簇以后,其他的簇首的選舉則是根據周圍節點的分布情況來確定的,本文采用了根據判斷信號強度RSSI的辦法來確定節點的密集程度,在成簇的最初階段,先判斷網絡深度,網絡深度為偶數的節點在向外廣播RREQ的時候,收到的節點都要向源節點發送一個確認信息,則發送RREQ的源節點把收到的確認信息根據所限定的最小信號強度值來判斷,如大于這個值,則把這個節點放在鄰居表里,則最后根據比較鄰居表里周圍節點的數目的辦法來確認節點數最多的點為簇首,這個節點的短地址號則為這個簇的標簽,節點一旦成為簇首節點,則向它的周圍節點發送簇首廣播報文,收到的節點在自己不是簇首的情況下發送簇加入報文,然后簇首發送應到后,即加入到該簇。簇首節點則維護一個所有簇成員列表,簇成員節點則維護一個簇首節點表。短地址的計算是根據這幾個參數來得出的:父設備擁有子設備數量的最大值Cm,網絡的最大深度為Lm,父設備將由路由器作為它的子設備的最大數為Rm。網關Gateway,即位于兩個或者多個簇域重疊區域的非簇首節點,這些節點將相鄰接的簇首連接起來,形成多跳路由路徑,如圖2所示。2.3路由請求過程AODV_Cluster的路由請求過程類似于Z_AODV的方式,當源節點有數據要發送給目標節點時,它首先在自己的路由表中查尋到目標節點的路由,如果路由存在并且有效,則立刻開始發送數據;如果相應的路由不存在或者路由存在但已經標明為無效時,源節點就開啟一個泛洪路由發現過程。源節點創建一個路由請求包RREQ,并向其周圍節點廣播,如果鄰居節點收到RREQ,則根據上述計算簇標簽的方法計算出目的節點的簇標簽后,則在它的鄰居表中增加一個這個簇標簽的路由接入點,并在路由查找表中增加一個目的節點的網絡地址的路由接入點,當中間節點收到RREQ的時候,則與它的路由搜索表中的路由成本進行比較,如果這個路由成本比較低的話,則更新路由搜索表。然后繼續廣播,直到到達目的節點為止。路由請求過程如圖3所示。目標節點收到路由請求后,不再廣播路由請求,它先建立反向路徑,產生一個RREP,RREP中含有最新的系列號等信息,沿反向路徑單波給源節點。中間節點和源節點在收到RREP后會建立到目標節點的路由,并更新系列號等有關的信息。源節點收到RREP后即建立路由并開始傳輸數據。當這個路由過程建立完畢后,則原節點向它的簇首發送一個攜帶有路由信息的路由確認包RNOT(RoteNotify),當簇首收到這個確認包以后,則簇首再廣播一個路由更新包RUPT(RouteUpdate),當它的簇員收到這個信息后,則共享剛才節點新建立的路由信息。例如網絡地址為0x0A地址的節點要發送數據到目的地址為0x17的節點,則先對外廣播RREQ包直至到達目的節點,然后目的節點再發送RREP包確認,當源節點收到RREP響應后,則發送PNOT到網絡地址為0x02的簇首節點,然后由簇首節點在對外廣播,標簽為0x02的簇里面的路由節點則都可以共享這個路由信息,如圖4所示。在數據傳輸階段,簇成員一般只與自己的簇首進行通信,由簇首負責數據的轉發。分簇算法既保證了原有覆蓋范圍內的數據通信,又在很大程度上節省了節點的能量。分簇思想具有很多優點,例如,由簇首節點負擔數據融合的任務,減少了數據通信量分簇式的拓撲結構有利于分布式算法的應用,適合大規模部署的網絡由于大部分簇內節點在相當長的時間內關閉通信模塊,不參加數據轉發過程,因此顯著地延長整個網絡的生存時間。3源節點數目相同的情況下,aodv和cluder協議的時效差異為了便于比較,在相同的仿真環境下分別運行AODV和AODV-Cluster的仿真程序并比較仿真結果,圖5顯示了報文發送成功率,從途中可以明顯看出AODV-Cluster協議的數據報文發送成功率要高于AODV協議。圖6顯示了AODV協議和AODV_Cluster協議在相同的源節點數目下網絡中數據包的平均端到端延時。從圖6中可以看出,延時會隨著源節點數目的增加而變大。在相同源節點數目的情況下,延時的總體趨勢是隨著節點數變多而變大,也是由于隨著源節點數目的增加會使網絡過于擁塞,包成功接收的時間變長,因此會使延時變大。而在源節點數目相同的情況下,AODV_Cluster協議的延時時間還是相對較小的。兩協議路由負載的比較如圖7所示。這是根據每成功發送一個數據報文網上需傳遞的路由控制報文的數量來繪制的。這里所說的路由控制報文包括網上傳輸的RREQ,RREP,RERR和Hello報文,AODV-Cluster還包括簇首廣播、路由確認包等。從圖6中也可看到,AODV在節點數超過120時路由負載急劇增加,而AODV-Cluster增加相對較為緩慢。這也證明了AODV-Cluste協議r確實能有效降低路由控制報文的數量。4新型分簇路由目前在ZigBee網狀網絡的研究中,路由協議的研究已經成了無線傳感器網絡研究的熱點和難點。本文在ZigBee網狀網的基礎上,對AODV路由協議進行了簡單地分析,并且進行了改進,借鑒了ZigBee簇樹形的思想,提出了一種新型的分簇路由協議。由于同一
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