利用捎带技术提高ZigBee网络性能的方法

1 引言

IEEE 802.11、蓝牙、UWB等协议推出以来，在短距离的无线监测、控制、数据传输领域得到广泛应用，但它们仍然存在功耗大、组网能力差等弱点。以组网能力强著称的ZigBee协议能弥补上述协议的不足，特别适合于组建短距离低速无线个域网、无线传感器网络等。

ZigBee协议由ZigBee联盟于2004年12月中旬正是推出，其介质访问控制子层（MAC）基于IEEE 802.15.4标准，网络层采用Cluster-Tree+AODVjr路由算法，支持星形（Star）、树状（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构^[1]，算法可在简单的单片机平台上实现^[2]。其中，单独采用AODVjr（AODV Junior，简化的AODV）路由算法的Mesh网络最为简单，应用较广泛。AODVjr算法是AODV（Ad hoc On Demand Distance Vector, Ad hoc按需距离矢量路由协议）算法的简化，它跟AODV一样，与目标节点通信时，采用先问路由，再发送数据或命令的办法^[3,4]。本文提出采用捎带技术的AODVjr算法，将要发送的数据捎带在AODVjr的路由请求和路由应答包中，大大提高ZigBee网络的通信效率。DSP2812

2 ZigBee的AODVjr协议

ZigBee协议网络层AODVjr算法是需求驱动型的，由源节点选择路由，它是针对AODV算法的简化改进。考虑到节能、成本、应用方便性等因素，AODVjr简化AODV的一些特点，但是仍然保持AODV的主要功能。

首先，在AODVjr路由算法中，没有目标节点序列号，只有目标节点才能发送路由应答（Route Reply，RREP）包，这样可以避免循环问题和无效RREP包出现，提高通信效率。其次，AODVjr删除路由错误（Route Error，RERR）包及前驱列表（Precursor List）。另外，为了避免广播风暴，AODV中周期性发送的Hello包也被删除。在ZigBee的集成路由算法中，AODVjr中的许多优点使得路由协议简单化且实现AODV的基本路由功能^[5,6]。

图1（a）和（b）是AODVjr算法寻找路由的方式。当节点A要发送信息给节点D时，如果发现自己没有到节点D的路由，便通过组播（Multi-Broadcast）路由请求（Route Request，RREQ）包，请求其邻居帮忙查找到节点D的路径。每个接收到RREQ包的节点，都维护一条到节点A的路由信息，同时帮助节点A广播查找节点D。通过这种洪泛（Flooding）方式，RREQ包会被广播转发至节点D。节点D接收到RREQ包后，根据RREQ包的路由代价（Cost）决定是否更新自己的路由表，同时通过路由代价最小的路径给节点A回复RREP包。节点A查找目标节点通常是通过组播进行的，而节点D给节点A回复RREP包则通过单播（Unit-Broadcast）进行的。节点A接收到节点D的RREP包后，根据Cost最小原则决定与节点D通信所走的最佳路径。图1中，节点A查找到节点D的最短路径：A->B->C->D，然后把数据发送给节点D，节点D再通过D->C->B->A给节点A确认信息。

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图1 AODVjr算法查找路由及通信方式

在ZigBee协议里，AODVjr的RREQ包和RREP包作为网络层命令传送，成为单独的网络负荷，如图2所示。其中命令标识值等于0x01时是RREQ包，等于0x02时是RREP包；单字节的命令选项只使用一个比特，用于区分该路由包是单独进行路由查找还是进行路由修复（Route Repair）^[1]。

（a）路由请求包                      

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 （b）路由应答包                

（c）命令选项

图2 ZigBee网络层的命令包

3 捎带技术在AODVjr的应用

ZigBee网络里的AODVjr属于后应式的按需Ad hoc网络，不周期性地更新自己的路由信息，只有在需要通信时，才发起路由查找过程。在ZigBee网络里，节点会移动或者休眠，通信时几乎每次都要重新查找路由，而每次传输的数据量又比较少，绝大多数情况下只要传送一次即可完成，如获取传感器的值。为了达到节能且降低通信复杂度的目的，可将互联网中常用的“捎带确认”技术应用于ZigBee网络。

所谓“捎带确认”，是指为了提高网络的通信效率，目标节点接收到源节点的数据后，将确认（ACK）信息附加在目标节点发送给源节点的数据包中，由这些数据包捎带给源节点。DSP2812

采用捎带技术后，如图3（a）所示，源节点可以把要发送给目标节点的数据或命令放置在RREQ包后面，成为网络负荷的一部分，由RREQ包传送给目标节点。目标节点接收到RREQ包后，在给源节点回应RREP包之前，处理源节点发送的数据或者命令，将要发送的ACK或者数据由RREP包捎带给源节点，如图3（b）所示。

（a）捎带数据或命令的路由请求包   

 （b）捎带ACK或数据的路由应答包 

（c）改进后的命令选项

图3 采用捎带技术的ZigBee网络层命令包

如图3（c）所示：引进捎带功能后，要修改AODVjr里的命令选项，将保留的7个比特用于表示捎带数据的长度，为0时表示此路由包没有捎带任何数据，是普通的AODVjr路由包。

没有采用捎带技术时，如图1所示，源节点和目标节点之间传输数据需要2个来回；改进后只需要图1（a）、（b）所示的一个来回。由此可见，将数据捎带在路由包中，对于只需通信一次数据就可以传输完毕的情况，能够节省一个来回的时间。这样，网络在通信延迟、节能、效率上都有优化，同时降低通信复杂度。

4 算法的实现

4.1 协议栈

采用捎带技术的ZigBee协议栈有3层，其体系结构如图4所示。协议栈参考ZigBee网络的结构，物理层和介质访问控制层采用IEEE 802.15.4协议，网络层仅使用捎带技术的AODVjr路由算法，通过应用支持子层与应用层建立联系。该协议栈简单、实用、高效。

图4 采用捎带技术的ZigBee协议栈

4.2 路由设计与实现

（a）目标节点接收到RREQ包             

（b）源节点接收到RREP包

图5 目标节点和源节点处理RREQ和RREP流程

采用捎带技术后，对算法复杂度的影响不大。只要稍微改动源节点和目标节点发送以及接收RREQ包和RREP包的程序即可，中间节点仍按普通的AODVjr包处理数据。

图5是目标节点和源节点处理RREQ包和RREP包的程序流程，从中可以看出，捎带技术并没有增加算法实现的复杂度。作者在美国赫立讯公司的IP-Link122x系列模块中使用Keil C编程，实现使用捎带技术的ZigBee网络。该模块通过美国FCC认证，经过ZigBee联盟指定的德国莱茵TUV ZigBee实验室一致性测试，是符合IEEE 802.15.4标准和ZigBee协议的模块。本文算法运行在模块自带的嵌入式芯片——Silicon Laboratories公司的8051内核MCU上，采用Chipcon AS公司的射频芯片CC2420收发数据。

5 实验结果

研发过程中，可以使用Chipcon AS公司的IEEE 802.15.4包监听器（Packet Sniffer）分析空气中传送的数据包，对不同节点数目的Ad hoc进行测试，可取得良好的结果。

实验中，采用Mesh拓扑，50个节点组成的ZigBee网络随意分布在三层楼中，采用对等连接方式，仅使用AODVjr路由算法。两个节点通信的平均传输延迟及成功率，采用捎带技术前后质量对比如表1所示。从表1可知，传输延迟时间可以减少很多，且成功率有一定的提高。证明本文提出的网络结构及软硬件设计的可行性。

表1 采用捎带技术前后的通信质量对比

6 结论

本文提出采用捎带技术的AODVjr算法，同时给出简化的ZigBee协议体系结构，并在硬件平台上实现该方案。实践证明，采用捎带技术能降低算法实现的复杂度，减少通信量，节约电池能量，有效提高ZigBee网络的总体性能。本方法还可以在其他使用AODV算法的网络中推广，具有一定的实用价值。DSP2812开发板

参考文献：

[1] Zigbee Alliance. ZigBee Specification (Version 1.1)[S]. 2006.

[2] 张成武,谭斌.单片机Zigbee技术在远程抄表系统中的应用[J].微计算机信息,DSP2812开发板  2006:22(32):96-98.

[3] RFC 3561:Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing[S].2003.http://www.51kaifa.com/shop/read.php?ID=4732

[4]Mobility Management and Networking (MOMENT) Laboratory. Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing[EB/OL].http://moment.cs.ucsb.edu/AODV/aodv.html, 2007-4-2.

[5]Ian D. Chakeres, Luke Klein-Verndt. AODVjr,AODV Simplified[J]. Mobile Computing and Communication Review,2002,6(3):100-101.http://www.51kaifa.com/shop/read.php?ID=4732

[6]Qiu F., Wang J-M., Leng J. "Design and Implementation of a Wireless Personal Area Network Based on AODVjr Routing" in Wireless Mobile&Multimedia Networks (ICWMMN) Proceedings[C].Beijing:The Institution of Engineering and Technology,London(IET),2006:424-427.