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]。

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（a）路由请求包& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;

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& nbsp;（b）路由应答包& nbsp;& nbsp;& nbsp; & nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;

（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。

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（a）捎带数据或命令的路由请求包& nbsp;& nbsp;& nbsp;

& nbsp;（b）捎带ACK或数据的路由应答包& nbsp;

（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。