[發(fā)明專利]一種延長zigbee網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610038715.5
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105636144A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 包曉安;李清木;張娜;郭煒杰;胡國亨
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江理工大學(xué)
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W84/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及zigbee網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體的說屬于在分簇策略下降低節(jié)點(diǎn)能量消耗延長 zigbee網(wǎng)絡(luò)的生命周期的方法。

背景技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是一種可以實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P覆蓋，無所不在的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)包含了大量通信技術(shù)， 而zigbee技術(shù)由于其自身的低功耗，低成本，大容量等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于智能家居，智能 醫(yī)療，工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。如今能源的消耗已經(jīng)成為全球關(guān)注的問題，雖然zigbee技術(shù)自身 采用了很多降低能量消耗的方法，但是研究成果顯示，zigbee技術(shù)在能量消耗部分仍然有 很大的改進(jìn)空間。由于zigbee技術(shù)起步不久，很多理論系統(tǒng)還未成熟，加上其硬件系統(tǒng)的復(fù) 雜性，致使很多研究人員將目光放到了zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層，針對實(shí)際構(gòu)造的zigbee無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的路由協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，更大的提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，從而 解決zigbee技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的網(wǎng)絡(luò)能量不均衡，網(wǎng)絡(luò)分割，網(wǎng)絡(luò)易癱瘓等問題。

分簇算法采用混合式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)絡(luò)，具有可拓展性 好，伸縮性強(qiáng)，靈活性高的特點(diǎn)，能夠有效降低路由開銷，節(jié)約能量消耗，易于網(wǎng)絡(luò)通信與維 護(hù)，減少拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等。近年來，分簇算法在無線傳感網(wǎng)絡(luò)取得了良好 的效果，但由于zigbee網(wǎng)絡(luò)和其他無線傳感網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，現(xiàn)有的分簇算法不能直接應(yīng)用 于zigbee網(wǎng)絡(luò)中，因此本專利使用一種專門針對zigbee網(wǎng)絡(luò)的分簇方法，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)層路由 協(xié)議，用以減少單個(gè)節(jié)點(diǎn)不必要的能量消耗，延長單個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存周期，盡可能的均衡整體 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，延緩網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)時(shí)間，從整體上減少能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，滿足實(shí)際 中供電情況和網(wǎng)絡(luò)性能的要求。

Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，將OSI網(wǎng)絡(luò)互相參考模型簡化 為物理層(PHY),媒體接入控制層(MAC)，網(wǎng)絡(luò)層(NWK)，應(yīng)用層(APL)。其中網(wǎng)絡(luò)層是國內(nèi)外 研究者研究和改進(jìn)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。而針對網(wǎng)絡(luò)層的研究大致分為三個(gè)方面，分別為簇樹路 由研究，網(wǎng)狀路由研究和混合路由研究。本方法結(jié)合了Cluster-Tree和AODVjr路由各自的 特點(diǎn)，對混合路由算法進(jìn)行改進(jìn)。ZigBee在實(shí)際中將Cluster-Tree和AODVjr兩種路由算法 相混合使用，但并未提供一種完整的調(diào)度機(jī)制來有效的對它們進(jìn)行整合，致使他們工作相 對獨(dú)立，不僅不能提高路由效率，反而為整體網(wǎng)絡(luò)帶來負(fù)擔(dān)。對于AODVjr來說，盡管它可以 較容易地發(fā)現(xiàn)最佳路由路徑，但所有節(jié)點(diǎn)都參與到路由發(fā)現(xiàn)過程，產(chǎn)生大量冗余的RREQ分 組，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，以上問題會越來越嚴(yán)重，充分 暴露出以上算法所存在的缺陷。

大量學(xué)者對zigbee路由算法的完善和能量優(yōu)化進(jìn)行研究，如Zhang和Zhou等人(A RoutingalgorithmforZigbeeNetworkbasedondynamicenergyconsumption decisivepath)提出一種針對路徑選擇的路由算法，將節(jié)點(diǎn)的剩余能量和AODVjr路由算法 相結(jié)合，以便找到能量感知路由和最短路徑路由之間的平衡點(diǎn).Lee和Kim等人(Cluster- basedzigbeeroutingprotocolwithhighscalability)是將zigbee分成若干個(gè)邏輯 簇，并用簇標(biāo)簽對簇進(jìn)行標(biāo)識。Ran等人(zigbeeroutingselectionstrategybasedon dataservicesandenery-balancedZigBeerouting)考慮zigbee規(guī)范中雖然使用了 Cluster-Tree+AODVjr的混合路由算法，但幾乎沒有通過平衡二者來提高網(wǎng)絡(luò)性能的設(shè)計(jì) 方法，并由此提出一種基于數(shù)據(jù)服務(wù)和鄰居節(jié)點(diǎn)能量平衡的zigbee網(wǎng)絡(luò)路由選擇策略，但 該方法僅根據(jù)數(shù)據(jù)流的不同來設(shè)置協(xié)議中路由發(fā)現(xiàn)域相關(guān)的參數(shù)，并沒有從路由本身出發(fā) 來減少能量的消耗。

本發(fā)明在對zigbee協(xié)議規(guī)范深入研究后，發(fā)現(xiàn)雖然zigbee網(wǎng)絡(luò)層采用Cluster- Tree+AODVjr的混合路由算法，但是現(xiàn)階段幾乎都是將二者各自分開研究，而現(xiàn)有的研究和 規(guī)范中沒有提及如何設(shè)置參數(shù)來進(jìn)行路由策略的選擇，缺少將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合使二者平衡的 方法。本發(fā)明采用分簇策略，并將節(jié)點(diǎn)能量分級，動(dòng)態(tài)評測各個(gè)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)整體能量狀況， 并根據(jù)節(jié)點(diǎn)能量的不同選擇不同的路由策略，平衡了通信效率和能耗二者關(guān)系，延長了整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

發(fā)明內(nèi)容