[發明專利]一種基于分簇結構的ZigBee網絡能量均衡路由方法

有效

• 申請號: 201510035742.2
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104602302B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 唐宏;舒紅;王惠珠;郭彥芳;徐東哲
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W28/08
• 分類號: H04W28/08;H04W40/10
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司50102
• 代理人: 劉小紅

技術領域

本發明涉及ZigBee網絡，具體是一種基于分簇結構的ZigBee網絡能量均衡路由方法。

背景技術

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4的Ad-hoc網絡新興技術，它常用于近距離低數據速率的無線傳感網絡。它隨著物聯網發展而快速成長，同時，由于ZigBee節點具有低速率、低成本、低功耗、低復雜度及高可靠性等特點，在智能家居，礦業開采、智能溫室、現代交通、醫療監護、工業自動化等方面都具有廣泛應用。但隨著各行業自動化程度地增強，ZigBee技術需要做出不同的改進以適應于日益復雜的應用場景。同時，優化ZigBee網絡路由方法，均衡節點功耗，減少網絡總體能量消耗仍然是迫切需要解決的問題。

ZigBee網絡支持星型、簇型、網格型三種拓撲結構，網絡層采用簇樹路由算法Cluster-Tree與AODVjr路由算法相結合，綜合考慮節點的計算能力和路由能力，將全功能設備FFD節點分為RN+節點和RN-節點，其中RN+節點具備良好的路由能力，可以使用AODVjr路由算法進行數據轉發，而RN+節點只能采用Cluster-Tree路由算法進行數據轉發。

ZigBee網絡Cluster-Tree路由算法中，源節點根據目的節點的網絡地址確定數據的發送路徑，此算法沒有路由控制開銷，能有效降低全網的發送次數。但此算法中的數據沿ZigBee網絡簇結構進行轉發，通常選出的不是最優徑，路徑較長，跳數較多，增大了網絡中數據發送的時延，同時，網絡流量分布不均，靠近協調器節點的節點轉發次數較多，耗能較快，容易因節點能量耗盡而造成網絡分割。

ZigBee網絡中的AODVjr算法通過在全網范圍內廣播RREQ消息，可以得到源節點與目的節點之間的最短徑，可以有效改善數據包的傳輸時延。但同時由于在全網范圍內進行RREQ消息廣播，網絡控制開銷急劇增加，節點轉發次數隨之增加，從而過度消耗網絡能量。

現有ZigBee路由算法主要集中于限制RREQ消息廣播范圍，平衡網絡業務量，均衡節點能耗，延長網絡生存時間等方面。公開號CN104049602A，提出了一種無線傳感網絡的路由優化算法，通過設置節點剩余能量等級，來判斷當前節點是否接納新的子節點、是否當作中繼路由節點完成數據轉發，此算法能增加數據傳輸速率和系統吞吐量，使整個信息傳輸高效暢通。但隨著網絡工作時間增大，網絡節點的平均剩余能量減少，這種靜態設置節點剩余能量等級閾值的方法會造成無路徑可選的情況。公開號CN103702370A，通過啟用路由失敗定時器、數據等待定時器，綜合考慮鏈路質量、數據發送時延等因素來選擇路徑，能有效解決傳統ZigBee網絡中LQI值不能隨時更新的問題。該方法可以在一定程度上克服傳統路由方法不能有效分配網絡負載的問題，但未考慮路徑中單個節點剩余能量，網絡可能因單個節點死亡而造成網絡分割。公開號CN103298057A，公開了一種基于ZigBee技術的并發多徑路由方法，將節點能量進行等級劃分，根據掌握的路徑能量信息自適應地選擇時延最短和剩余能量最高的兩條路徑進行多徑傳輸，該方法考慮了節點剩余能量，能在一定程度上均衡網絡能量，延長網絡生存時間，但此方法路徑考量因素仍是整條路徑總剩余能量，未考慮單個節點剩余能量，網絡仍可能因單個節點能量耗盡，而造成網絡分割。

同時，以上方法多從總路徑剩余能量角度出發對ZigBee技術原有的Cluster-Tree算法和AODVjr算法做出改進，未從路徑最小節點剩余能量角度考慮，有效避免剩余能量較小的節點；且未從減少AODVjr方法的路由控制開銷角度進行考慮。如何減少RREQ消息的發送次數，減少網絡整體功耗，從而延長網絡生存時間仍是亟待解決的問題。

發明內容

針對以上現有技術中的不足，本發明的目的在于提供一種減少RREQ消息發送次數，減少網絡整體功耗，從而延長網絡生存時間的基于分簇結構的ZigBee網絡能量均衡路由方法，本發明的技術方案如下：一種基于分簇結構的ZigBee網絡能量均衡路由方法，包括網絡成簇階段和路由發現階段，其中網絡成簇階段具體包括以下步驟：

101、協調器節點建立ZigBee網絡，其它節點請求加入ZigBee網絡，并在加入網絡時分別建立自身的鄰居表；

102、獲取步驟101中建立的ZigBee網絡的簇樹拓撲結構，并將網絡分成N個簇，其中N為協調器節點的子節點數目；

103、對步驟102分成的每個簇根據簇頭選舉策略進行簇頭選舉，形成拓撲結構，具體步驟如下：