基于Zigbee的簇树协议分析

摘要:本文首先介绍了Zigbee技术的拓扑结构,然后详细描述了簇树结构下的簇树协议的实现方法,包括簇头的形成和簇树路由过程。

关键词:Zigbee;簇树协议;路由

1 引言

Zigbee是一种短距离、低速率的无线传感器网络的技术标准,其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准,主要特性是低速率、近距离、低功耗、低复杂度和低成本。

目前,Zigbee技术已经应用于智能家居、工业控制、手机移动终端等领域,但主要还是限于Zigbee技术的无线个域网(WPN)应用,每个接入点所能接纳的传感器节点数远远低于协议所称的255个。为了达到传感器网络密集覆盖的目的,必须进行复杂的组网,这不仅增加了传感器网络的复杂性,还增加了网络整体的功耗,传感器节点的寿命大大降低。本文描述了簇树形拓扑结构的Zigbee传感器网络构建过程,并给出在簇树拓扑结构中的簇树协议的详细分析。

2 Zigbee的簇树结构

IEEE802.15.4无线个域网定义了三种拓扑结构:星形、网状和簇树拓扑。在Zigbee的个域网里,必须有一个PAN协调器(PNC)。每个独立的PAN有一个唯一的标识,即PAN id(PID)。临近区域内的节点构成了一个簇,每个簇有且仅有一个簇头(CLH),CLH是簇内协调器,负责管理该簇和簇标识(CID),CID是簇内所有设备共享的ID号。相邻的簇头又循环构成了另一个簇,这样依次反复,构成了一个簇树形结构的传感网络,簇树拓扑提高了Zigbee网络的覆盖区域。BRD是直接连接邻居簇的簇头的节点。Zigbee的簇树结构如图1所示

3 簇树(cluster tree)协议分析

簇的形成开始于簇头的选择。有了簇头后,簇头扩展连接到其他的成员节点上就形成了簇,多个簇构成了簇树网络。

3.1 Intra Cluster Network

(1)簇头的形成

一个节点打开后,它监听并搜索来自其他节点的HELLO信息。如果在一定时间内没有获取HELLO信息,它就变成簇头并向其他节点发送HELLO信息。新的簇头在接下来的时间里等待邻居的请求,如果它没收到任何连接请求,则又变成普通节点继续监听。

簇头也可用其他的方法形成。总之,簇头的选择依赖于节点的存储/计算参数,如传输范围、功率容量、计算能力或位置信息。

(2) 簇树路由

单播情况下,当一个节点向其他的节点发送数据包时,它在源NID域设置自己的节点ID,在目标NID域设置目标节点ID。如果一个节点没有向它的邻居发送信息,目标节点位于树中源分支的下方,源节点在接收NID域时设置其孩子节点ID,并让其孩子节点继续转发到目标。

如果源节点没有向其邻居发送信息,目标节点没有位于源分支的下方,源节点必须在接收NID域里设置其父节点ID,并向父节点发送数据包。当更新接收和发射NID域时,每个中间节点应该向目标节点转发数据包。

除了最后一跳,数据包沿着簇树拓扑结构路由,如果目标节点位于树形结构的发送节点下方,数据包沿着分支达到目标节点。否则,数据包沿着树结构寻找目标。如果中间节点的邻居表里有目标节点,数据包被路由继续转发。

当一个节点接收了单播信息,接收的节点向发送节点发送ACK信号。广播情况下,在一个簇内广播信息总是由簇头向其所有成员节点发送。接收节点不用ACK响应广播信息。成员节点应该转发其双亲节点发送的信息,这样可以避免相同的信息多次转发。

3.2 Inter Cluster Network

各簇之间通信是通过路由实现的,BRD节点作为路由器,连接簇并转发簇间通信的数据包,如图2所示。

单播时,因为每个节点知道其父节点、孩子节点和BRD的ID,它们能够决定是否收发数据包。当BRD节点收到数据包时,它检测目标地址,然后转发到相邻簇的BRD节点,或者转发到本簇内的目标节点。

广播时,仅有DD能够向网络内的所有节点发送数据包。信息沿着簇的树路由转发。BRD节点从父节点向孩子节点广播数据包。

4 结束语

本文描述了基于Zigbee的树形拓扑结构,以及簇树结构下的簇树协议的实现过程,对Zigbee技术用于传感器网络密集覆盖方面有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]ZigBee Alliance.ZigBee/IEEE 802.15.4 summary[EB/OL]., 2007-05-10.

[2]Motorola.IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks,2001-04-12.

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作者简介:孙静(1974-),女,吉林长春人,硕士,吉林师范大学计算机学院讲师,研究方向:计算机嵌入式系统应用。