一种以ZigBee协调器为中心的能量均衡路由算法研究

曾洁琼 陶伟业

（1.广东工贸职业技术学院实训中心，广东 广州 510510；2.广东药学院医药信息工程学院，广东 广州 510006）

0 引言

目前，在ZigBee网络中考虑能量消耗因素对网络造成的影响已经取得了一些有价值的研究结论［1－2］。本文将提出一种以协调器为中心的与能量消耗有关的路由算法。

1 ZigBee路由协议改进目标

ZigBee网络中的节点以自组织的方式实现了节点间的数据传输，如果某些节点频繁地参与到数据通讯中，则其耗电量通常要比其他节点大很多，一旦过多的节点因电量耗尽而进入死亡状态，就可能对网络产生较大的不良影响。分析ZigBee网络中哪些节点会频繁地进行分组发送具有十分重要的意义，因为频繁发送分组节点势必会消耗过多的能量而导致节点过早地进入死亡状态。ZigBee网络中的协调器在整个网络中具有非常重要的作用，它负责组织和协调整个网络，这样就会导致协调器周边的节点过多地承担数据传输任务而耗费太多能量。因此，想办法保护协调器周边节点，让它们尽量少地参与数据转发，是避免网络出现局部区域失效的关键。为了在ZigBee网络中实现能量负载均衡，所设计的路由算法要能达到以下目标：（1）尽量维护整个网络的生存时间，避免网络局部节点失效；（2）实现网络中节点能量负载相对均衡，使得节点死亡状态尽可能晚地出现。

2 能量均衡路由协议的实现原理

本文提出了一种以协调器为中心的树型结构能量均衡路由算法，以区别于纯粹只考虑树型结构的能量均衡路由算法［3］。该算法对传统的ZigBee路由算法进行了改进，改进依据主要是结合ZigBee树型网络的特点，对路由开销进行了重新计算，新的路由开销计算基于以下假设：（1）网络中数据的传输主要出现在高度节点和低度节点之间。ZigBee网络的工作特性要求父节点向其对应的子孙节点发送控制分组和数据分组。并且，处于网络中心地位的网络协调器，通常都要对其他节点的数据进行集中处理，因此，网络中数据的传输主要出现在高度节点和低度节点之间，可以认为上述假设是成立的。（2）网络中每个节点的数据传输量比较接近，也就是说，对每个节点而言，它们都具有均等的数据传输机会。这种假设基于节点的平等性，尽管不一定适用于所有场合，但如果网络有比较大的规模，并且运行时间足够长，网络中那些位于边缘的节点就满足这些情形。（3）网络中所有普通节点的初始能量是相同的，并且所有节点在传输数据时所耗费的电量相等。ZigBee网络因其特殊的应用场景，往往采用电池来提供能量，一般而言，在安装电池时，这些电池都是同种型号而且初始电量相同。在实际的数据传输过程中，无论是发送分组还是接收分组，因时间极其短暂，所耗费的电量差别可以忽略不计。基于此，上述假设也能成立。

根据上面的描述对ZigBee网络中的树型拓扑结构进行分析可以知道这种拓扑结构中网络的通信特点。越是靠近协调器的节点，其网络通信的汇聚功能就体现得越明显，因而会比普通节点承担更多的数据通信任务，如果不对其通信进行适当控制的话，其耗费的电量将会很多且容易过快地进入节点死亡状态。为了避免这种情形的发生，这样的节点应该拥有比普通节点要大一些的路由开销值，这样在分组数据的传输过程中，路由策略就会让分组尽可能地不要让这些节点来承担，从而实现能量均衡。

根据ZigBee网络的特性，如果某个节点的网络深度为d，则父节点所分配到的地址子块的大小可以用下述表达式来表示：

3 路由算法性能分析

以包含100个全功能型节点的星型网络拓扑结构作为模拟仿真环境，其中，Cluster-Tree的值设为：Lm＝7，Cm＝4。对于每个节点功率的设定，参照符合ZigBee规范的CC2430系列芯片。节点无论是接收分组还是发送分组数据，假定其耗费的能量都是一样的。

为了对新的路由算法性能进行衡量，需要在新的路由协议和修改之前的路由协议之间进行比较，选取2种不同协议在相同场景中的仿真实验数据进行对比。图1和图2形象地反映了2种不同路由协议下的实验结果。

图1 节点的能量剩余值比较

图2 不同场景下死亡节点个数比较

图中，ZBR表示传统的路由算法，E-ZBR表示改进后新的能量均衡路由算法。从图1中可知，在采用E-ZBR算法时，那些靠近网络协调器附近深度较高节点的能量剩余值比常规ZBR算法下的能量剩余值要高。由此可知，靠近网络协调器附近的高度节点其能量的耗费得到了控制，这表明网络中的低度节点承担了一些原本由高度节点承担的数据传输任务。由图2可知，单纯采用ZBR协议的网络在400 s的时候便出现了第一个死亡节点，之后随着仿真时间的推移，越来越多的节点因能量耗尽而死亡；而E-ZBR在489 s的时候才出现节点死亡，且在相同的仿真时间内，出现的死亡节点数量也要少于采用ZBR时的死亡节点数。

4 结语

在ZigBee树型结构的网络中，保护高层节点以避免其消耗过多能量，能够均衡网络整体耗能，是延长网络生存时间的一项重要举措。本文深入分析了ZigBee树型结构网络的特点，提出了一种以协调器为中心的树型结构能量均衡路由算法。该算法对传统的ZigBee路由算法进行了改进，主要是在路由开销的计算中考量了能量因素，仿真实验表明考虑了能量因素的路由算法与原始的路由算法相比能平衡节点的能量消耗和减少节点的死亡。

［1］郝晓萌.基于ZigBee的无线粮情监测系统中路由协议的研究［D］.北京邮电大学，2009

［2］Volkan Rodoplu，Teresa H.Meng.Minimum Energy Mobile Wireless Networks［J］.IEEE Transactions Selected Areas on Co mmunications，1999（8）

［3］王琛，柴乔林，王芳.基于树形结构的ZigBee能量均衡协议研究［J］.计算机工程与设计，2009（15）