用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)，具體地涉及一種用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問 題的路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Zigbee技術(shù)是一種低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)傳輸率的短距離無線通信技術(shù)。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以支持星型、樹型和網(wǎng)格型拓撲結(jié)構(gòu)，常見的網(wǎng)絡(luò)層路由算法有樹型路由和 AODVjr路由，前者主要用于樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，后者主要用于網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)。
[0003]Zigbee網(wǎng)絡(luò)的樹型路由算法中，節(jié)點不需要進行路由發(fā)現(xiàn)，只需根據(jù)父子關(guān)系進 行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，能夠避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路和控制路由開銷。但是也存在弊端，節(jié)點只能沿著樹型結(jié) 構(gòu)進行通信，當(dāng)某個樹干發(fā)生擁塞時只能進行等待或放棄傳輸，從而帶來數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r 和丟包；此外，較大負載的樹干擁有很大的數(shù)據(jù)流通量，而負載較輕的樹干卻長時間處于空 閑狀態(tài)，這樣造成了能量消耗的不均衡，降低了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
[0004]Zigbee網(wǎng)絡(luò)分布式地址分配方案及路由算法基本原理： Zigbee樹型路由選擇算法的原理來源于其地址分配機制，分布式的地址分配方案中， 每個父節(jié)點會得到一個網(wǎng)絡(luò)地址空間，其子節(jié)點的地址根據(jù)設(shè)備類型從這個地址空間中得 到一個地址段或一個地址。其分布式地址分配方式的原理如下： 首先，在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，由協(xié)調(diào)器決定網(wǎng)絡(luò)深度和允許掛載的最大節(jié)點數(shù)，其中協(xié)調(diào) 器的網(wǎng)絡(luò)深度為〇，它的一級子節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度為1，依次遞增。以Cm表示父節(jié)點的最大子節(jié) 點數(shù)，Rm表示路由器的最大子節(jié)點數(shù)目，Lm代表網(wǎng)絡(luò)的最大深度，Cskip(d)表示網(wǎng)絡(luò)深度 為d的父節(jié)點為其子節(jié)點分配的地址空間，初始化協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)深度均為0。 [0005] 然后，按照公式（1)和公式⑵，
那么第K個子節(jié)點被深度為d的父節(jié)點Ap分配地址計算如公式（3)和公式（4)，
(4) 最后，父節(jié)點按照上述方案給子節(jié)點分配地址，直到父節(jié)點所有的地址塊分配完而不 再接受新的節(jié)點申請為止。
[0006]Zigbee網(wǎng)絡(luò)的樹型路由算法基本原理如下：
(1) 當(dāng)一個節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)信息到目的節(jié)點時，轉(zhuǎn)播節(jié)點首先需要判斷目的節(jié)點是否為 其子孫節(jié)點。若轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的深度為d，地址為A，如果滿足公式（5)則確定目的節(jié)點是其子 孫節(jié)點_
[0007] (5) (2) 如若不滿足公式（5)，則向轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的父節(jié)點傳輸，數(shù)據(jù)到達父節(jié)點后再進行公示 (5)的判斷。
[0008] (3)如確定目標節(jié)點為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的子孫節(jié)點后，則進行下一跳的地址判斷。如果 目標節(jié)點為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的子節(jié)點，那么下一跳的地址就是目的地址。如果目標節(jié)點為其后裔 的非子節(jié)點，下一跳地址通過公式（6)計算得到。
[0009]
(6) (4)在確定達到目的節(jié)點的下一跳地址后，該節(jié)點會更新其路由表，這樣在以后的通 信中，就不需要每次通過計算確定下一跳地址，而是可以直接通過查詢路由表得到。
[0010] 現(xiàn)有的改進型樹型路由算法優(yōu)化方案大體可以分為兩類，一類是通過減少信息量 的方式，即盡可能的減少樹型網(wǎng)絡(luò)中流通的數(shù)據(jù)量以達到盡可能降低擁塞情況的發(fā)生。數(shù) 據(jù)量的減少主要通過縮短數(shù)據(jù)包長度和通過增大路由表存儲的信息以減少路由探索次數(shù) 等，該類方案對于某個特定規(guī)模的項目有明顯的改善效果，但不利于網(wǎng)絡(luò)的擴展和升級。另 一類優(yōu)化方案主要是通過改變分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來達到能量均衡。譬如建立動態(tài)簇頭 的方式，即通過一定算法，根據(jù)需要改變樹干的簇頭，相當(dāng)于對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行重置。該類方 案路由開銷較大，且算法復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對Zigbee網(wǎng)絡(luò)中原有的樹型路由算法可能出現(xiàn)的樹干負載分布不均衡造成擁 塞，從而帶來數(shù)據(jù)傳輸延時或丟包的問題，本發(fā)明目的是：提供一種用于解決Zigbee樹型 網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的路由方法，該方法在原有的樹型路由算法基礎(chǔ)上通過建立橫向通信路徑的 方式，使得在樹干發(fā)生擁塞時，節(jié)點可以采用負載較輕的鄰居節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，能夠有效 地降低數(shù)據(jù)傳輸延時，解決網(wǎng)絡(luò)能量分布不均衡的現(xiàn)象，從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的路由方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 協(xié)調(diào)器節(jié)點建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)時分別建立自身的鄰居 表； (2) 樹型網(wǎng)絡(luò)維護階段，各節(jié)點通過Hello維護報文同自身的所有鄰居節(jié)點交互鄰居 表信息； (3) 當(dāng)節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，檢查該數(shù)據(jù)幀的目的地址，若目的地址是當(dāng)前節(jié)點的自身地 址，則將數(shù)據(jù)交給當(dāng)前節(jié)點的父節(jié)點；否則進入步驟（4); (4) 若目的地址是當(dāng)前節(jié)點的子孫節(jié)點地址，則按原有的Zigbee網(wǎng)絡(luò)樹型路由算法選 擇下一跳地址，轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)；否則進入步驟（5); (5) 當(dāng)前節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其父節(jié)點，若通信順利，將重復(fù)步驟（3)、⑷直到數(shù)據(jù)到達 目的節(jié)點；若到父節(jié)點的鏈路始終處于繁忙狀態(tài)，則進入步驟（6); (6) 當(dāng)前節(jié)點根據(jù)步驟（2)獲取的鄰居表信息，通過查詢鄰居表，向等級比自己高或相 同的非父子關(guān)系的鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求，并等待鄰居節(jié)點的響應(yīng)； (7) 給予響應(yīng)的鄰居節(jié)點在應(yīng)答幀中再次添加自身的信息，發(fā)送數(shù)據(jù)請求的節(jié)點根據(jù) 應(yīng)答信息對鄰居表進行更新；通過對負載進行判定，選擇負載最輕的鄰居節(jié)點進行橫向通 f目； (8) 鄰居節(jié)點收到數(shù)據(jù)幀后，返回步驟（3)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，直到數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點。
[0013] 優(yōu)選的，所述步驟（2)中，各節(jié)點通過Hello報文維護網(wǎng)絡(luò)連接并同自身的所有鄰 居節(jié)點交互信息，包括如下步驟： (21) 樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點周期性發(fā)送Hello報文給自己鄰居表中的節(jié)點，在 Hello報文的負載中添加自身的節(jié)點信息； (22) 接收到Hello報文的節(jié)點提取報文負載信息并保存在自己的鄰居表中，同時將自 身信息添加到應(yīng)答幀負載中，返回到發(fā)送節(jié)點； (23) Hello報文與鄰居表中鄰居節(jié)點對應(yīng)的定時器相關(guān)，在定時時間內(nèi)收到應(yīng)答，則說 明連接有效，可對鄰居表進行更新；反之，則說明鏈路斷開，不可對鄰居表進行更新。
[0014] 優(yōu)選的，所述步驟（4)中，目的地址是當(dāng)前節(jié)點的子孫節(jié)點地址的判斷方法為：設(shè) 當(dāng)前節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)深度為d，地址為A，網(wǎng)絡(luò)深度為d的節(jié)點分配給子節(jié)點的地址偏移量為 Cskip(d-1)，若目的地址D滿足下式，A<D<4 + _1.)，則目的地址是當(dāng)前節(jié)點的 子孫節(jié)點地址；否則，目的地址不是當(dāng)前節(jié)點的子孫節(jié)點地址；所述步驟（4)中下一跳地址 的計算公式為
其中，_%1_表示網(wǎng)絡(luò)深度為d的節(jié)點所擁有的地址空間。
[0015] 優(yōu)選的，所述步驟（7)中，對于橫向通信的鄰居節(jié)點的選擇方法如下： (71) 如果鄰居節(jié)點等級與請求橫向通信的節(jié)點相同，則將鄰居節(jié)點的父節(jié)點的負載 與請求節(jié)點的父節(jié)點的負載進行比較，選取負載較小的作為待選鄰居節(jié)點； (72) 如果鄰居節(jié)點等級比請求橫向通信的節(jié)點高，則將鄰居節(jié)點的負載與請求節(jié)點 的父節(jié)點負載進行比較，選取負載較小的作為待選鄰居節(jié)點； (73) 如果鄰居節(jié)點等級比請求橫向通信的節(jié)點低，則放棄作為橫向通信的待選鄰居節(jié) 占. (74) 在待選鄰居節(jié)點中，通過公式戀選取具有最小D#數(shù)的節(jié)點作為橫向通 信的鄰居節(jié)點；其中，Ei(t)表示節(jié)點的實時能力值，通過鄰居節(jié)點的應(yīng)答幀獲取，參數(shù)D,用 來表不數(shù)據(jù)傳輸延時。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點是： 1.對Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)，在原有的樹型路由算法基礎(chǔ)上通過建立橫向連接的方式，讓樹 型網(wǎng)絡(luò)中具有非父子關(guān)系的鄰近節(jié)點間能夠進行通信，使得樹干在發(fā)生擁塞時，能夠有效 地緩解擁塞情況，降低網(wǎng)絡(luò)延時。
[0017] 2.通過建立橫向連接的方式，讓網(wǎng)絡(luò)的總能量消耗較少，同時也能夠均衡不同樹 干的數(shù)據(jù)量，從而平衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
【附圖說明】
[0018] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述： 圖1為本發(fā)明用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的路由方法的Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 示意圖； 圖2為本發(fā)明用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的路由方法的Hello報文信息結(jié)構(gòu) 圖； 圖3為本發(fā)明用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的路由方法的樹干未發(fā)生擁塞時路 由流程圖； 圖4為本發(fā)明用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的路由方法的橫向連接路由流程圖。【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)