0 引言

　　為了滿足低功耗、低成本的需求，短距離通信ZigBee技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是一種基于802.15.4的技術(shù)提案[1][2]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來(lái)完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作[3]。ZigBee中的分布式地址分配機(jī)制(Distributed Address Assignment Mechanism，DAAM)算法具有簡(jiǎn)單以及包含“地址-位置”關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，DAAM算法就會(huì)顯示出它的弱點(diǎn)，這時(shí)有些節(jié)點(diǎn)因?yàn)榉峙洳坏降刂窡o(wú)法加入網(wǎng)絡(luò)而成為孤立節(jié)點(diǎn)[4]。

　　為了減少網(wǎng)絡(luò)中的孤立節(jié)點(diǎn)，目前已開展很多該方面的研究。由于節(jié)點(diǎn)密度以及網(wǎng)絡(luò)深度等原因?qū)?huì)造成網(wǎng)絡(luò)地址的不足，但是此時(shí)有些路由節(jié)點(diǎn)仍有未使用的地址，這時(shí)可以向這些有剩余地址的路由節(jié)點(diǎn)借用地址來(lái)達(dá)到減少孤立節(jié)點(diǎn)數(shù)量的目的，這一思想在文獻(xiàn)[5-6]有具體體現(xiàn)。文獻(xiàn)[7-9]提出了進(jìn)行地址擴(kuò)展的思想。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于最小跳數(shù)的按需分配的地址分配算法。該方法首先由sink節(jié)點(diǎn)以洪泛方式向全網(wǎng)廣播最小跳數(shù)的構(gòu)建消息，從而使每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有到sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，然后根據(jù)已構(gòu)建的最小跳數(shù)樹獲取地址。另外文獻(xiàn)[11]提出了一種動(dòng)態(tài)參數(shù)的分配算法，該方法可以減少孤立節(jié)點(diǎn)數(shù)量，但是增加了網(wǎng)絡(luò)開銷，并且擴(kuò)展性不強(qiáng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)很多時(shí)，增加了組網(wǎng)時(shí)間。

　　本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)參數(shù)的按需可擴(kuò)展地址分配算法(AP-SAAM)，同時(shí)給出了改進(jìn)的路由算法，使其兼容cluster-tree路由協(xié)議。

　　本文的貢獻(xiàn)主要如下：

　　(1)提出了一種基于動(dòng)態(tài)參數(shù)的按需可擴(kuò)展地址分配算法，可以根據(jù)已知網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)決定擴(kuò)展的地址大小，同時(shí)兼容原DAAM算法。

　　(2)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整以及擴(kuò)展次數(shù)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

　　(3)給出了改進(jìn)的路由算法，且與cluster-tree路由協(xié)議兼容。

1 系統(tǒng)模型

　　本文對(duì)地址的擴(kuò)展思想為：首先計(jì)算出DAAM定義的地址空間，然后得出可以表示這些地址空間的最小比特位數(shù)a0，然后把剩余的地址分成Rm段，如果不進(jìn)行地址擴(kuò)展，就使用第一段地址空間；如果進(jìn)行一次擴(kuò)展，則使用第二段地址空間；以此類推，直到網(wǎng)絡(luò)地址擴(kuò)展完，每一段地址所占的比特位數(shù)如圖1所示。

　　其中，ai表示各個(gè)地址塊所占用的比特位數(shù)。

　　具體地址段的分配方式如下：

　　根據(jù)已知條件可以得出DAAM分配的最大空間Am，可用式(1)計(jì)算：

　　Am=Cskip(0)×Rm+Cm-Rm(1)

　　又因?yàn)?/p>

　　為了考慮一般性，我們只考慮Rm>1的情況，此時(shí)有：

　　整理得：

　　所以得出可表示Am的最小比特位數(shù)a：

　　a=min{a|2a≥Am}(5)

　　進(jìn)而得出每一塊地址段所占的比特位數(shù)為：

　　其中i表示地址塊數(shù)，即擴(kuò)展的次數(shù)。

　　假設(shè)O、R分別代表普通設(shè)備和路由設(shè)備，N1，N2分別表示沒有獲得網(wǎng)絡(luò)地址的普通節(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，Li表示第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的深度，Oam表示地址為a的普通節(jié)點(diǎn)的深為m，Rbm表示地址為b的路由節(jié)點(diǎn)的深度為n，則新的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：

　　然后進(jìn)行第一次地址擴(kuò)展，這時(shí)協(xié)調(diào)器只會(huì)給個(gè)路由節(jié)點(diǎn)分配擴(kuò)展后的地址塊，如果第一次擴(kuò)展后仍有孤立節(jié)點(diǎn)，然后再進(jìn)行第二次地址擴(kuò)展，以此推論，直至整個(gè)地址空間用完，分配方法如式（8）：

　　且Nd≤，其中Achildren為擴(kuò)展地址，i表示進(jìn)行地址擴(kuò)展的次數(shù)，Nd表示第i次擴(kuò)展時(shí)路由節(jié)點(diǎn)數(shù)。

　　得到地址塊的路由節(jié)點(diǎn)可以再次進(jìn)行地址分配，分配方式仍按照原DAAM算法，參數(shù)為：。其可分配的地址大小為，其中i表示擴(kuò)展次數(shù)，且1≤i≤Rm。

2 基于動(dòng)態(tài)參數(shù)的按需可擴(kuò)展地址分配算法

　　2.1 AP-SAAM算法步驟

　　(1)DAAM算法：

　　初始化：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器把自己的地址設(shè)置為0，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為L(zhǎng)m、Rm和Cm。

　　地址請(qǐng)求：節(jié)點(diǎn)向其鄰居表中未被標(biāo)記的潛在父節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求(當(dāng)有多個(gè)時(shí)隨機(jī)選擇)；如果未收到答復(fù)，則依次向其他未標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求，如果仍未得到回復(fù)，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送第一次地址擴(kuò)展請(qǐng)求，同時(shí)轉(zhuǎn)向步驟(3)，如果仍沒有獲得地址，發(fā)送第二次地址擴(kuò)展請(qǐng)求，以此類推。

　　地址分配：地址為Aparent的路由節(jié)點(diǎn)收到入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，首先查詢自己的地址空間，如果有地址，則按照原DAAM算法進(jìn)行分配。

　　(2)地址擴(kuò)展：

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到借用地址請(qǐng)求后，根據(jù)式(6)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地址塊的劃分；然后按照式(7)計(jì)算。

　　(3)擴(kuò)展地址分配：

　　此時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行第一次地址擴(kuò)展，根據(jù)式(8)對(duì)申請(qǐng)的個(gè)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址的分配（如有剩余，留作下次使用）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要維護(hù)這些路由節(jié)點(diǎn)的路由表，得到地址塊的路由節(jié)點(diǎn)向其潛在父節(jié)點(diǎn)發(fā)出作為其子節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求，并上報(bào)自己的網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)標(biāo)記自己的網(wǎng)絡(luò)深度為其父節(jié)點(diǎn)深度加1，用Lj表示，當(dāng)此路由節(jié)點(diǎn)再次收到節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，則按照式(9)進(jìn)行地址的分配：

　　其中，Aparent為父節(jié)點(diǎn)地址，Li為申請(qǐng)加入的節(jié)點(diǎn)深度，且滿足Li-Lj≤。

　　2.2 路由算法改進(jìn)

　　經(jīng)過(guò)擴(kuò)展地址分配后，可能的網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中A、B為獲得擴(kuò)展地址的節(jié)點(diǎn)區(qū)域，C為按照原DAAM算法得到地址的節(jié)點(diǎn)區(qū)域。對(duì)此，源節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)的地址類型就會(huì)有四種情況，如表1所示。

　　假設(shè)源節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址為A，深度為d；目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址為D。首先判斷式(10)、(11)是否成立

　　如果式(10)和式(11)都成立，則執(zhí)行步驟1；如果式(10)成立，式(11)不成立，則執(zhí)行步驟2；如果式(10)不成立，式(11)成立，則執(zhí)行步驟3；如果式(10)不成立，式(11)不成立，則執(zhí)行步驟4。

　　步驟1：首先判斷邏輯表達(dá)式(12)是否成立，其中參數(shù)為L(zhǎng)m、Rm、Cm。

　　A<D<A+Cskip(d-1)(12)

　　如果不成立，則交給A的父節(jié)點(diǎn)；如果成立，且D是A的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，則修改下一跳地址Ne=D，若不是一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)式(13)計(jì)算下一跳地址，其中參數(shù)為L(zhǎng)m、Rm、Cm。

　　其中0≤d≤Lm。

　　步驟2：首先判斷邏輯表達(dá)式(14)是否成立：

　　其中Achildren為節(jié)點(diǎn)A的子節(jié)點(diǎn)。

　　如果成立，則表示目的節(jié)點(diǎn)屬于節(jié)點(diǎn)A的子節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展地址域，然后修改下一跳地址Ne=Achildren；如果不成立，則修改下一跳地址為A的父節(jié)點(diǎn)即：Ne=Aparpent。

　　步驟3：修改下一跳地址為A的父節(jié)點(diǎn)即：Ne=Aparpent。

　　步驟4：首先判斷邏輯表達(dá)式(12)是否成立，其中參數(shù)為。

　　如果不成立，則交給A的父節(jié)點(diǎn)；如果成立，若D是A的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，則修改下一跳地址Ne=D，若不是一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)式(13)計(jì)算下一跳地址，其中參數(shù)為，且0≤d≤。

　　綜上所述，修改的路由協(xié)議能夠滿足地址分配算法。

3 算法仿真

　　把DAAM、EDAA-BA[5]、RBAC[9]作為比較對(duì)象，通過(guò)OPNET仿真來(lái)觀察它們?cè)谛阅芊矫娴牟町悺Ｆ渲芯W(wǎng)絡(luò)參數(shù)分別設(shè)為Cm=4，Rm=2，Lm=15。

　　圖3表示的是平均地址分配成功率與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出，EDAA-BA、RBAC以及AP-SAAM的分配成功率要高于DAAM，且AP-SAAM最高，特別是隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，AP-SAAM的性能更優(yōu)，這是因?yàn)锳P-SAAM能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況實(shí)施地址擴(kuò)展，從而能夠分配更多的地址，進(jìn)而提高節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的概率。

　　圖4表示的是平均分配耗時(shí)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，有圖可知，EDAA-BA、RBAC以及AP-SAAM都比DAAM平均耗時(shí)大，其中EDAA-BA耗時(shí)最大，這是因?yàn)槠洳粩噙M(jìn)行借用地址花費(fèi)了大量的時(shí)間，這一現(xiàn)象隨著節(jié)點(diǎn)的增加、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變得更加明顯，RBAC和AP-SAAM的平均耗時(shí)相當(dāng)。

　　圖5表示的是平均路由跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，其中路由跳數(shù)表示節(jié)點(diǎn)到其潛在鄰居節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。從圖中可以看出RBAC算法和AP-SAAM算法相當(dāng)，而EDAA-BA要優(yōu)于其它三種算法，這是因?yàn)镋DAA-BA算法在進(jìn)行借用地址時(shí)專門考慮了迂回問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)參數(shù)的按需可擴(kuò)展地址分配算法，當(dāng)?shù)刂烦渥銜r(shí)，使用DAAM算法；當(dāng)出現(xiàn)地址不足時(shí)，對(duì)剩余地址空間進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)已知參數(shù)對(duì)剩余地址塊靈活的分配，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行一次或者多次擴(kuò)展，從而很好地解決了孤立節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

　　[1] Huang Yu-Kai，Pang，Ai-Chun，Hsiu，Pi-Cheng，et al.Distubuted throughput optimization for ZigBee cluster-treeNetworks[J].IEEE Computer Society，2012(5)，23(3)：513-520.

　　[2] 寧炳武，劉軍民.基于CC2430的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008(3)：95-99.

　　[3] Natalia C Fer，Marcelo D D Mor，Otto C M B Dua.AnEfficient and Robust Addressing Protocol for Node Auto-configuration in Ad Hoc Networks[J].IEEE/ACM Transac-tions on Networking，2013(4)，3(21)：845-856.

　　[5] KARAPISTROLI E，PAVLIDOU F N，GRAGOPOULOS I，etal.An overview of the IEEE 802.15.4a standard[J].IEEECommunications Magazine，2010，48(1)：47-53.

　　[6] 姚玉坤，陳永超，李鵬翔，等.ZigBee網(wǎng)絡(luò)中基于借地址的高效分布式地址分配算法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(8)，35（8）：151-158.

　　[7] Natalia C F，Marcelo D D M，Otto Carlos M B D.AnEfficient and Robust Addressing Protocol for Node Autoconfiguration in Ad Hoc Networks[J].IEEE/ACM Transac-tions on Networking, Jun.2013，vol.21：845-856.

　　[8] 任智，李鵬翔，姚玉坤，等.基于分段的ZigBee網(wǎng)絡(luò)按需可擴(kuò)展地址分配算法[J].通信學(xué)報(bào)，2012，33（5）：131-137.

　　[9] Li-Hsing Yen，Wei-Ting Tsai.The room shortage problemof three-based Zigbee/IEEE 802.15.4 wireless networks[J].Computer Communication，2010(33)：454-462.

　　[10] 胡義，文建國(guó)，羅娟.時(shí)間驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)地址分配算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45(33)：83-85.

　　[11] Shu-Chiung Hu，Cheng-Kuan Lin，Yu-Chee Tseng.Automatic parameter selection for the ZigBee distributedaddress assignment mechanism[C].2013 IEEE 24th Inter-national Symposium on Personal, Indoor and Mobile RadioCommunications: Mobile and Wireless Networks, 8-11Sept 2013, London, United Kingdom，2013：2062-2066.