用于解決Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)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(wèn) 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(wú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見(jiàn)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(diǎn)不需要進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，只需根據(jù)父子關(guān)系進(jìn) 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(diǎn)只能沿著樹型結(jié) 構(gòu)進(jìn)行通信，當(dāng)某個(gè)樹干發(fā)生擁塞時(shí)只能進(jìn)行等待或放棄傳輸，從而帶來(lái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí) 和丟包；此外，較大負(fù)載的樹干擁有很大的數(shù)據(jù)流通量，而負(fù)載較輕的樹干卻長(zhǎng)時(shí)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(lái)源于其地址分配機(jī)制，分布式的地址分配方案中， 每個(gè)父節(jié)點(diǎn)會(huì)得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址空間，其子節(jié)點(diǎn)的地址根據(jù)設(shè)備類型從這個(gè)地址空間中得 到一個(gè)地址段或一個(gè)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(diǎn)數(shù)，其中協(xié)調(diào) 器的網(wǎng)絡(luò)深度為〇，它的一級(jí)子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度為1，依次遞增。以Cm表示父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié) 點(diǎn)數(shù)，Rm表示路由器的最大子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)為其子節(jié)點(diǎn)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(gè)子節(jié)點(diǎn)被深度為d的父節(jié)點(diǎn)Ap分配地址計(jì)算如公式（3)和公式（4)，
(4) 最后，父節(jié)點(diǎn)按照上述方案給子節(jié)點(diǎn)分配地址，直到父節(jié)點(diǎn)所有的地址塊分配完而不 再接受新的節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)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(gè)節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)信息到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)首先需要判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為 其子孫節(jié)點(diǎn)。若轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度為d，地址為A，如果滿足公式（5)則確定目的節(jié)點(diǎn)是其子 孫節(jié)點(diǎn)_
[0007] (5) (2) 如若不滿足公式（5)，則向轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)傳輸，數(shù)據(jù)到達(dá)父節(jié)點(diǎn)后再進(jìn)行公示 (5)的判斷。
[0008] (3)如確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)后，則進(jìn)行下一跳的地址判斷。如果 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，那么下一跳的地址就是目的地址。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為其后裔 的非子節(jié)點(diǎn)，下一跳地址通過(guò)公式（6)計(jì)算得到。
[0009]
(6) (4)在確定達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)的下一跳地址后，該節(jié)點(diǎn)會(huì)更新其路由表，這樣在以后的通 信中，就不需要每次通過(guò)計(jì)算確定下一跳地址，而是可以直接通過(guò)查詢路由表得到。
[0010] 現(xiàn)有的改進(jìn)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(guò)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(dá)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(guò)縮短數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和通過(guò)增大路由表存儲(chǔ)的信息以減少路由探索次數(shù) 等，該類方案對(duì)于某個(gè)特定規(guī)模的項(xiàng)目有明顯的改善效果，但不利于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和升級(jí)。另 一類優(yōu)化方案主要是通過(guò)改變分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到能量均衡。譬如建立動(dòng)態(tài)簇頭 的方式，即通過(guò)一定算法，根據(jù)需要改變樹干的簇頭，相當(dāng)于對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中原有的樹型路由算法可能出現(xiàn)的樹干負(fù)載分布不均衡造成擁 塞，從而帶來(lái)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)或丟包的問(wèn)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(wèn)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(guò)建立橫向通信路徑的 方式，使得在樹干發(fā)生擁塞時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以采用負(fù)載較輕的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，能夠有效 地降低數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，解決網(wǎng)絡(luò)能量分布不均衡的現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)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(wèn)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(diǎn)建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點(diǎn)加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)時(shí)分別建立自身的鄰居 表； (2) 樹型網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)Hello維護(hù)報(bào)文同自身的所有鄰居節(jié)點(diǎn)交互鄰居 表信息； (3) 當(dāng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的自身地 址，則將數(shù)據(jù)交給當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)；否則進(jìn)入步驟（4); (4) 若目的地址是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)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(jìn)入步驟（5); (5) 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其父節(jié)點(diǎn)，若通信順利，將重復(fù)步驟（3)、⑷直到數(shù)據(jù)到達(dá) 目的節(jié)點(diǎn)；若到父節(jié)點(diǎn)的鏈路始終處于繁忙狀態(tài)，則進(jìn)入步驟（6); (6) 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟（2)獲取的鄰居表信息，通過(guò)查詢鄰居表，向等級(jí)比自己高或相 同的非父子關(guān)系的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并等待鄰居節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)； (7) 給予響應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)在應(yīng)答幀中再次添加自身的信息，發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)根據(jù) 應(yīng)答信息對(duì)鄰居表進(jìn)行更新；通過(guò)對(duì)負(fù)載進(jìn)行判定，選擇負(fù)載最輕的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行橫向通 f目； (8) 鄰居節(jié)點(diǎn)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(dá)目的節(jié)點(diǎn)。
[0013] 優(yōu)選的，所述步驟（2)中，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)Hello報(bào)文維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接并同自身的所有鄰 居節(jié)點(diǎn)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(diǎn)周期性發(fā)送Hello報(bào)文給自己鄰居表中的節(jié)點(diǎn)，在 Hello報(bào)文的負(fù)載中添加自身的節(jié)點(diǎn)信息； (22) 接收到Hello報(bào)文的節(jié)點(diǎn)提取報(bào)文負(fù)載信息并保存在自己的鄰居表中，同時(shí)將自 身信息添加到應(yīng)答幀負(fù)載中，返回到發(fā)送節(jié)點(diǎn)； (23) Hello報(bào)文與鄰居表中鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的定時(shí)器相關(guān)，在定時(shí)時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答，則說(shuō) 明連接有效，可對(duì)鄰居表進(jìn)行更新；反之，則說(shuō)明鏈路斷開，不可對(duì)鄰居表進(jìn)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(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)地址的判斷方法為：設(shè) 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)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(diǎn)分配給子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的 子孫節(jié)點(diǎn)地址；否則，目的地址不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)地址；所述步驟（4)中下一跳地址 的計(jì)算公式為
其中，_%1_表示網(wǎng)絡(luò)深度為d的節(jié)點(diǎn)所擁有的地址空間。
[0015] 優(yōu)選的，所述步驟（7)中，對(duì)于橫向通信的鄰居節(jié)點(diǎn)的選擇方法如下： (71) 如果鄰居節(jié)點(diǎn)等級(jí)與請(qǐng)求橫向通信的節(jié)點(diǎn)相同，則將鄰居節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)的負(fù)載 與請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)的負(fù)載進(jìn)行比較，選取負(fù)載較小的作為待選鄰居節(jié)點(diǎn)； (72) 如果鄰居節(jié)點(diǎn)等級(jí)比請(qǐng)求橫向通信的節(jié)點(diǎn)高，則將鄰居節(jié)點(diǎn)的負(fù)載與請(qǐng)求節(jié)點(diǎn) 的父節(jié)點(diǎn)負(fù)載進(jìn)行比較，選取負(fù)載較小的作為待選鄰居節(jié)點(diǎn)； (73) 如果鄰居節(jié)點(diǎn)等級(jí)比請(qǐng)求橫向通信的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)中，通過(guò)公式戀選取具有最小D#數(shù)的節(jié)點(diǎn)作為橫向通 信的鄰居節(jié)點(diǎn)；其中，Ei(t)表示節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)能力值，通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答幀獲取，參數(shù)D,用 來(lái)表不數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是： 1.對(duì)Zigbee樹型網(wǎng)絡(luò)，在原有的樹型路由算法基礎(chǔ)上通過(guò)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(diǎn)間能夠進(jìn)行通信，使得樹干在發(fā)生擁塞時(shí)，能夠有效 地緩解擁塞情況，降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。
[0017] 2.通過(guò)建立橫向連接的方式，讓網(wǎng)絡(luò)的總能量消耗較少，同時(shí)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)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(wèn)題的路由方法的Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(wèn)題的路由方法的Hello報(bào)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(wèn)題的路由方法的樹干未發(fā)生擁塞時(shí)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(wèn)題的路由方法的橫向連接路由流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)