CN104301963B - 一种基于ZigBee无线网洪泛路由算法改进优化的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于ZigBee无线网洪泛路由算法改进优化的方法，包括以下步骤：(1).产生数据帧：在源节点每次发送副本时调用一个自动产生序列号的函数，并得到一个序列号，用来标记每次发送的数据帧；(2).判断数据帧：当下一个相邻节点收到该数据帧，首先提取数据帧中的序列号、目的地址、帧类型等，将缓冲区中之前收到的数据包副本进行比对，如果相同，就不做任何操作；如果不相同，就会接收这个数据副本；(3).通过帧中的目的地址查看终点地址是否指向当前地址；本发明的优点是设计了一种ZigBee无线网络的路由算法，有效地避免信息内爆和降低整个网络能耗。所述算法经应用测试分析，效率提高到96.3％，应用前景十分广阔。

Description

一种基于ZigBee无线网洪泛路由算法改进优化的方法

技术领域

本发明涉及基于ZigBee无线网的路由算法研究，具体涉及一种对Flooding洪泛算法进行改进与优化。

背景技术

无线传感器网络是传感器技术、无线通信技术、计算机技术、嵌入式计算技术相结合的产物。无线传感器网络由大量密集的微型智能传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络***，能协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并传送给观察者。

路由协议是无线传感器网络研究的关键技术之一，主要负责路由选择和数据转发，其中路由选择是指寻找一条符合一定条件的路径作为从源节点到目的节点的传输路径，数据转发是指将数据分组沿着选择的传输路径进行转发。Flooding路由协议是传统有线网络中最为经典和简单的路由协议，它是基于洪泛机制的路由协议，Flooding路由协议不要求维护网络的拓扑结构和相关路由计算，仅要求无线网络节点在接收到信息后以广播的方式向邻居节点转发数据包，邻居节点重复执行上述过程(转发时除去刚刚发送给它们的节点)，直到数据包到达目的地或者该数据包的生命周期结束。

ZigBee是一种短距离、低功耗、低功耗、低数据速率、低成本，低复杂度的无线网络技术。所以，ZigBee技术在一定程度上满足短距离通信中灵活组网的要求。ZigBee技术特点使其在家庭和建筑物的自动化控制、消费性电子设备、工业控制、医疗设备控制、农业方面、军事方面等方面应用显示出极大的优势。

ZigBee网络主要支持AODVjr算法和Cluster-Tree路由算法。其中AODVjr是一种按需分配的路由协议，只有在路由节点接收到网络数据包，并且网络数据包的目的地址不在节点的路由表中时才会进行路由发现过程。Cluster-Tree路由算法中每一个节点都会试图将收到的信息包转发给自己的后代节点，如果通过计算发现目的地址不是自己的一个后代节点，则将这个数据包转发给自身上一级的父节点，由父节点进行类似的判断处理，直到找到目的节点。

Cluster-Tree路由算法的特点在于使不具路由功能的节点通过与各自的父节点间的通信仍然可以发送数据分组和控制分组，但是它的缺点是效率不高。因此，如果能根据路由算法的特点对洪泛分组的转发实施条件过滤，从而减少网络信道的冲突和分组盲目的转发，是提高网路性能和降低网络整体能耗的途径之一。

传统的Flooding洪泛路由的优点是：①实现简单；②无需维护网络拓扑结构和实现复杂路由算法消耗资源；③适用于健壮性要求高的场合。但Flooding洪泛路由也有诸多不足之处：①在信息***问题，即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象；②出现部分重叠现象，如果处于同一观测环境的两个相邻同类传感器节点同时对一个事件做出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，这两个节点的邻居节点将收到双份数据副本；③盲目使用资源，只要节点收到数据，如果不是目的节点即进行转发处理，而没有考虑各节点能量，即使节点的剩余能量很低也要进行转发，这样导致部分节点过快的死亡，降低了网络的平均性能。

针对上述Flooding洪泛算法的问题，有学者对传统的洪泛Flooding路由协议提出了一些改进思想：如①提出了基于分级的思想，即将一些控制信息封装在数据包中，当一个节点收到数据包后，读取封装信息，从而判断此数据包是否属于冗余信息，如果不是则按照定义好的转发规则进行转发，否则直接丢弃。②提出一种节能路由协议，在协议中节点依据剩余能量决定是否接收和转发数据帧，节点维护由剩余能量、距离网络中聚合节点的跳数等信息组成的路由表，结合路由表动态确定向哪些邻居节点转发数据帧，算法在节点能耗和网络负载均衡方面有良好表现。

虽然上述的这些改进的路由算法部分解决了无线传感器网络中的问题，但是在无线传感器网络中采用的平面路由协议中，所有的传感器节点的地位都是平等的，实现的路由功能基本相同。而采用ZigBee技术的传感器网络不同于前面提到的传统的无线传感器网络，除了协调器节点具有与无线传感器网络中的汇聚节点相似的功能和地位外，其余节点功能并不相同。ZigBee网络主要支持Cluster-Tree和AODVjr路由算法，传统无线传感器网络中广泛使用的Flooding路由协议并不能直接移用到ZigBee网络中。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种改进的Flooding路由协议，能有效避免其缺点且适用于ZigBee无线网络。改进的算法结合ZigBee无线网络技术特点，适当地限制路由发现过程中的分组洪泛，通过一过滤机制限制原有协议中多余的数据包的转发，并对节点的剩余能量值加以考虑；算法除了保留Flooding协议本身的健壮性、无需路由维护等优点外，采用的技术方案如下：

一种基于ZigBee无线网洪泛路由算法改进优化的方法，包括以下步骤：

(1).产生数据帧：在源节点每次发送副本p时调用一个自动产生序列号的函数Count，并得到一个2个节点的序列号N，用来标记每次发送的数据帧。

(2).判断数据帧：当下一个相邻节点收到该数据帧p时，首先提取数据帧p中的序列号、目的地址、帧类型等，将缓冲区中之前收到的数据包副本序列号、目的地址、节点类型进行比对，如果相同，就不做任何操作；如果不相同，就会接收这个数据副本；

(3).通过帧中的目的地址查看终点地址是否指向当前地址：此时，路由节点通过帧中的目的地址查看终点地址是否指向当前地址，如果接收的目的地址和路由节点地址不吻合，接收数据帧，并将刚才接收到的数据帧广播并记录下这个的数据帧；若是目的地址和路由节点地址吻合，需要执行的命令则立即执行，无需再进行数据帧的广播。

所述步骤(1)中源节点源节点每发一个副本，目的节点理论上应该收到副本数为：

m表示源节点相邻节点的个数，n表示源节点间隔节点的个数。

从源节点传送一副本p，经过改进以后的洪泛模型，目的节点收到副本p，其洪泛效率提高了：

本发明的优点：针对背景技术中Flooding路由算法的问题，设计了一种适用于ZigBee无线网络的路由算法，所述算法主要能对收到的分组副本序列号、目的地址、节点类型等字段进行判别是否要再次转发，从而有效地避免信息内爆和降低整个网络能耗。所述算法经应用测试分析，效率提高到96，3％，应用前景十分广阔

附图说明

图1是本发明改进的Flooding算法流程图。

图2是本发明中传统Flooding算法洪泛路径图。

图3是本发明中改进的洪泛算法测试模型。

图4是发明算法实验中采用的无线Zigbee数据帧格式。

图5是发明算法与传统Flooding算法实验比较结果统计表。

具体实施方式

下面结合附图和实验过程对所述算法作进一步阐述。

如图1所示，一种基于ZigBee无线网洪泛路由算法改进优化的方法，包括以下步骤：

(1).产生数据帧：在源节点每次发送副本数据帧p时调用一个自动产生序列号的函数Count，并得到2个节点的序列号N，用来标记每次发送的数据帧。

(2).判断数据帧：当下一个相邻节点，信号覆盖区域所有节点，收到该数据帧p时，首先提取数据帧p中的序列号、目的地址、帧类型等，与缓冲区中之前收到的数据包副本序列号、目的地址、帧类型进行比对，如果相同，说明是已经转发过的数据帧，就不做任何操作；如果不相同，说明是新数据帧，就会接收这个数据副本；

(3).通过帧中的目的地址查看终点地址是否指向当前地址：此时，路由节点通过帧中的目的地址查看终点地址是否指向当前地址，如果接收的目的地址和路由节点地址不吻合，接收数据帧，并将刚才接收到的数据帧广播并记录下这个数据帧；若是目的地址和路由节点地址吻合，需要执行的命令则立即执行，无需再进行数据帧的广播。

如图2所示，传统洪泛模型协议，在源节点A发送副本p，B、E、G节点收到副本p并转发副本p，同样，节点C、E、F收到p副本之后再转发至目的节点D。

我们用m表示源节点相邻节点的个数，此例中为B、E、G，即m＝3，用n表示源节点间隔节点的个数，此例中为C、F、H，即n＝3，那么目的节点收到的相同副本数为：

代入公式，最终可以计算出目的节点D先后共收到相同副本p共81个。即从源节点传送一副本p，经过如图2洪泛模型，目的节点收到了多达81副本p，其洪泛效率：

如图3所示，仍以图2为例，从源节点传送一副本p，经过图3改进以后的洪泛模型，目的节点只收到了3副本p，其洪泛效率提高了：

综述所述，经改进后的Flooding洪泛效率，不仅有效避免了信息内爆问题，同时，也降低了由于节点发送冗余副本所带来的功耗。

具体实施例

如表1所示，为了测试经改进后的Flooding洪泛效率，将无线ZigBee测试数据帧简化成如表1所示。

表1 无线ZigBee数据帧格式

帧头

帧类型

网络ID

目的ADD

源ADD

序列号

数据

确认帧类型

FCS

4B

1B

2B

2B

2B

2B

10B

1B

2B

如图3所示，测试节点拓扑结构采用链式智慧路灯模型，节点个数：源节点1个，子节点数目14个，中间节点传送距离为60m，此距离确保ZigBee无线相邻节点间信号能覆盖到，道路两边路灯编号左边为奇数，右边为偶数并依次排开，上电后，通过串口调试工具向源节点发送测试命令，在目的节点处统计每次实验收到的副本数，一共进行10次实验，每次实验测试100次，并将每次实验收到的副本数进行平均值。最终的实验结果如表2所示：

测试模型所示，源节点每发一个副本，目的节点理论上应该收到副本数为：

如表2所示，改进后算法收到副本平均数接近2，此值是理想情况下上应收到的副本数，而传统算法收到副本平均数均小于理论应收到数。分析改进后洪泛路由和传统洪泛路由收到的副本数之所以与对理论应收副本数有差异，主要是MAC信道冲突和自然环境中各种干扰原因所致。但这并不影响经改进的洪泛路由实际价值和应用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于ZigBee无线网洪泛路由算法改进优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1).产生数据帧：在源节点每次发送副本时调用一个自动产生序列号的函数，并得到序列号，用来标记每次发送的数据帧；

(2).判断数据帧：当下一个相邻节点收到该数据帧p时，首先提取数据帧中的序列号、目的地址、帧类型，与缓冲区中之前收到的数据包副本序列号、目的地址、帧类型进行比对，如果相同，就不做任何操作；如果不相同，就会接收这个数据副本；

(3).通过帧中的目的地址查看终点地址是否指向当前地址：此时，路由节点通过帧中的目的地址查看终点地址是否指向当前地址，如果接收的目的地址和路由节点地址不吻合，接收数据帧，并将刚才接收到的数据帧广播并记录下这个数据帧；若是目的地址和路由节点地址吻合，需要执行的命令则立即执行，无需再进行数据帧的广播。