摘  要： 針對AODVjr算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中會產(chǎn)生RREQ洪泛，導致節(jié)點能量消耗過快的問題,，提出了一種改進的ZigBee網(wǎng)絡路由算法,。改進算法通過鄰居表限定RREQ傳輸范圍和父子節(jié)點的傳遞方向，計算路由代價并根據(jù)節(jié)點剩余能量動態(tài)劃分所處的能量區(qū)域,，根據(jù)3種能量區(qū)域進行差異化路由發(fā)現(xiàn),，動態(tài)回避剩余能量較低的節(jié)點并發(fā)現(xiàn)能量較高的節(jié)點。仿真實驗結果表明,，改進算法能實現(xiàn)節(jié)點的能量動態(tài)平衡,，有效控制網(wǎng)絡的總體能量消耗，減少死點個數(shù)和減緩死點出現(xiàn)的頻率,。
關鍵詞： ZigBee,；能量平衡；剩余能量,；路由代價

　ZigBee技術是一種近距離,、低復雜度,、低功耗,、低速率和低成本的雙向無線通信技術，主要用于距離短,、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù),、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽肹1-2]。它可工作在2.4 GHz,、868 MHz和915 MHz 3個頻段上,，分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率,，傳輸距離在10~75 m的范圍內(nèi),。
1 問題提出
　ZigBee支持AODVjr算法[3]，該算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中會產(chǎn)生冗余的RREQ,，這些多余的RREQ無助于路由發(fā)現(xiàn),，反而容易引起RREQ洪泛，增加網(wǎng)絡功耗,。直接丟棄這些多余的RREQ就能有效避免RREQ洪泛[4-5],。
　與AODVjr算法相比,，Clsuter-Tree算法僅考慮轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點與父節(jié)點和子節(jié)點之間的關系，忽略了鄰居節(jié)點的跳數(shù)優(yōu)化,。這樣即使目的節(jié)點就在發(fā)送節(jié)點的一跳范圍之內(nèi),，數(shù)據(jù)包也必須按照原始拓撲結構傳送到目的節(jié)點，而不能直接傳送到目的節(jié)點,，導致RREQ疊加洪泛效應非常嚴重,。
　另外，距離中心協(xié)調(diào)器ZC越近的FFD節(jié)點,，網(wǎng)絡深度越小,，通信負擔越重，需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量越多,，消耗的能量越多,，節(jié)點電池能量會過早耗盡。當節(jié)點剩余能量少于正常工作所需的能量時,，節(jié)點自身就不能與其他節(jié)點通信,，即產(chǎn)生死點，這樣,，網(wǎng)絡斷開的可能性就大大增加,。
　基于以上這些問題，本文提出了一種基于能量優(yōu)化的ZigBee網(wǎng)絡路由算法,。
2 算法分析
2.1 路由代價
　路由代價是路由發(fā)現(xiàn)中當前節(jié)點被選擇為新路由節(jié)點所消耗的能量,。路由代價越大，消耗能量越大,，成為路由節(jié)點的可能性就越低,。
結合ZigBee網(wǎng)絡，對FFD節(jié)點定義統(tǒng)一的路由代價[6],，即：

2.3 差異化能量區(qū)域
　根據(jù)最小剩余能量,、節(jié)點剩余能量和能量充足閾值的定義，劃分能量值為能量充足,、能量低和能量報警3個區(qū)域,。
　參考文獻[7]定義的最小剩余能量對節(jié)點網(wǎng)絡深度沒有進行區(qū)分，而網(wǎng)絡深度和能量消耗恰好成反比,。深度越小的節(jié)點,，轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量越多，消耗的能量越多,，所以要為深度越小的節(jié)點預留更多的最小剩余能量,。
假設節(jié)點初始能量為energy，定義任意節(jié)點i的最小剩余能量Emin residual：

　（5）更新路由代價,、剩余能量值,。
　（6）方向標志位mark判斷,。
　如果mark=0,，說明目的節(jié)點位置處于當前節(jié)點的后裔節(jié)點。如果當前節(jié)點是上一節(jié)點的父節(jié)點,，當前節(jié)點立即丟棄RREQ,；如果當前節(jié)點不是上一節(jié)點的父節(jié)點，則判斷目的節(jié)點是否是當前節(jié)點的后裔節(jié)點,。如果是,，當前節(jié)點直接轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，并更新自身Eresidual,；如果不是,，更新mark=1，當前節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,，并更新自身Eresidual,。
　如果mark=1，說明目的節(jié)點位置處于當前節(jié)點的父節(jié)點,。如果當前節(jié)點是上一節(jié)點的后裔節(jié)點,，當前節(jié)點立即丟棄RREQ；如果當前節(jié)點不是上一節(jié)點的后裔節(jié)點,，則判斷目的節(jié)點是否是當前節(jié)點的父節(jié)點,。如果是，當前節(jié)點直接轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,，并更新自身Eresidual,；如果不是，更新mark=0,，當前節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,，并更新自身Eresidual,。
?。?）按照上述流程繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，直到到達目的節(jié)點,。
?。?）目的節(jié)點收到RREQ，不再判斷剩余能量在哪個能量區(qū)域,，直接返回RREP,。
　（9）源節(jié)點收到目的節(jié)點返回的RREP,，即表示當前路由發(fā)現(xiàn)成功,，立即按照該路徑進行數(shù)據(jù)傳輸,。
4 仿真實驗結果
　將改進算法與原AODVjr算法以及參考文獻[6]算法進行數(shù)據(jù)比對，得出網(wǎng)絡總體能耗以及死點個數(shù)比對數(shù)據(jù),。
　仿真試驗基于OMNET++平臺實現(xiàn),，網(wǎng)絡覆蓋面積為100 m×100 m，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)為50個,，節(jié)點隨機分布,，網(wǎng)絡參數(shù)Cm=5，Rm=4,，Lm=5,，每個節(jié)點的初始能量為1 000 J。仿真實驗結果如圖2和圖3所示,。

　仿真結果表明,，隨著網(wǎng)絡持續(xù)運行，網(wǎng)絡深度較低的節(jié)點頻繁轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),，能量消耗逐漸增大,。改進算法引入跳數(shù)限制和鄰居表，將節(jié)點剩余能量進行網(wǎng)絡深度動態(tài)劃分,，選擇局部最小路由跳數(shù)的路徑進行傳輸數(shù)據(jù),，避免把數(shù)據(jù)傳送給能量較低的節(jié)點，從而達到節(jié)省能量的目的,。
　在初始階段,，每個節(jié)點的能量都處于能量充足區(qū)域，沒有死點產(chǎn)生,。隨著時間推移,，改進算法能夠平衡節(jié)點剩余能量，所以出現(xiàn)死點的時間最晚,，添加深度影響因子能更有效避開剩余能量低的節(jié)點,，繼而選擇能量多的節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，避免網(wǎng)絡深度較低的節(jié)點過早死亡,。
　針對ZigBee網(wǎng)絡AODVjr算法所產(chǎn)生的RREQ洪泛,，提出一種改進路由算法，引入鄰居表限定RREQ傳輸范圍和父子節(jié)點的傳遞方向,，計算路由代價并根據(jù)節(jié)點剩余能量動態(tài)劃分所處的能量區(qū)域,，根據(jù)3種能量區(qū)域進行差異化路由發(fā)現(xiàn)，動態(tài)回避剩余能量較低的節(jié)點并發(fā)現(xiàn)能量較高的節(jié)點,。收集所有FFD節(jié)點能量,，將節(jié)點最小剩余能量匹配到網(wǎng)絡深度進行動態(tài)調(diào)整，并動態(tài)更新能量區(qū)域以優(yōu)化死點出現(xiàn)頻率，根據(jù)所處能量區(qū)域選擇路由策略,。
參考文獻
[1] ZigBee Alliance. ZigBee specification 2008[DB/OL]. http：//www.zigbee.org,，2012-08-01.
[2] 瞿雷，劉盛德,，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2007.
[3] AKKAYA K， YOUNIS M. A survey on routing protocols for wireless sensor networks[J]. Ad Hoc Networks,， 2005,， 3（3）： 325-349.
[4] IEEE STD 802.15.4-2006， Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer（PHY） Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks（WPANs）[S].
[5] FECHNER J. Using ZigBee for industrial control systems[C]. International Conference on Power Electronics Intelligent Motion and Power Quality,， 2006：61-62.
[6] 李予東,，黃宏光，向西西. 基于能量平衡的ZigBee路由算法優(yōu)化[J].計算機工程與設計,，2011,，32（2）：397-400.
[7] 班艷麗，柴喬林,，王琛.基于能量平衡的ZigBee網(wǎng)絡樹路由算法[J].計算機應用,，2008，28（11）：2791-2794.
[8] 謝川.基于ZigBee的AODVjr算法研究[J].計算機工程,，2011,，37（10）：87-89.