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)點通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來完成各個節(jié)點的協(xié)同工作[3]。ZigBee中的分布式地址分配機制(Distributed Address Assignment Mechanism，DAAM)算法具有簡單以及包含“地址-位置”關(guān)系等優(yōu)點。但是隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加，DAAM算法就會顯示出它的弱點，這時有些節(jié)點因為分配不到地址無法加入網(wǎng)絡(luò)而成為孤立節(jié)點[4]。

　　為了減少網(wǎng)絡(luò)中的孤立節(jié)點，目前已開展很多該方面的研究。由于節(jié)點密度以及網(wǎng)絡(luò)深度等原因?qū)斐删W(wǎng)絡(luò)地址的不足，但是此時有些路由節(jié)點仍有未使用的地址，這時可以向這些有剩余地址的路由節(jié)點借用地址來達到減少孤立節(jié)點數(shù)量的目的，這一思想在文獻[5-6]有具體體現(xiàn)。文獻[7-9]提出了進行地址擴展的思想。文獻[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，從而使每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都有到sink節(jié)點的最小跳數(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[11]提出了一種動態(tài)參數(shù)的分配算法，該方法可以減少孤立節(jié)點數(shù)量，但是增加了網(wǎng)絡(luò)開銷，并且擴展性不強，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點很多時，增加了組網(wǎng)時間。

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

　　本文的貢獻主要如下：

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

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

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

1 系統(tǒng)模型

　　本文對地址的擴展思想為：首先計算出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，如果不進行地址擴展，就使用第一段地址空間；如果進行一次擴展，則使用第二段地址空間；以此類推，直到網(wǎng)絡(luò)地址擴展完，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)計算：

　　Am=Cskip(0)×Rm+Cm-Rm(1)

　　又因為

　　為了考慮一般性，我們只考慮Rm>1的情況，此時有：

　　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)點以及路由節(jié)點的個數(shù)，Li表示第i個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的深度，Oam表示地址為a的普通節(jié)點的深為m，Rbm表示地址為b的路由節(jié)點的深度為n，則新的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：

　　然后進行第一次地址擴展，這時協(xié)調(diào)器只會給個路由節(jié)點分配擴展后的地址塊，如果第一次擴展后仍有孤立節(jié)點，然后再進行第二次地址擴展，以此推論，直至整個地址空間用完，分配方法如式（8）：

　　且Nd≤，其中Achildren為擴展地址，i表示進行地址擴展的次數(shù)，Nd表示第i次擴展時路由節(jié)點數(shù)。

　　得到地址塊的路由節(jié)點可以再次進行地址分配，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表示擴展次數(shù)，且1≤i≤Rm。

2 基于動態(tài)參數(shù)的按需可擴展地址分配算法

　　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Lm、Rm和Cm。

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

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

　　(2)地址擴展：

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到借用地址請求后，根據(jù)式(6)對網(wǎng)絡(luò)進行地址塊的劃分；然后按照式(7)計算。

　　(3)擴展地址分配：

　　此時網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行第一次地址擴展，根據(jù)式(8)對申請的個路由節(jié)點進行地址的分配（如有剩余，留作下次使用）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要維護這些路由節(jié)點的路由表，得到地址塊的路由節(jié)點向其潛在父節(jié)點發(fā)出作為其子節(jié)點的請求，并上報自己的網(wǎng)絡(luò)地址，同時標(biāo)記自己的網(wǎng)絡(luò)深度為其父節(jié)點深度加1，用Lj表示，當(dāng)此路由節(jié)點再次收到節(jié)點的入網(wǎng)請求時，則按照式(9)進行地址的分配：

　　其中，Aparent為父節(jié)點地址，Li為申請加入的節(jié)點深度，且滿足Li-Lj≤。

　　2.2 路由算法改進

　　經(jīng)過擴展地址分配后，可能的網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中A、B為獲得擴展地址的節(jié)點區(qū)域，C為按照原DAAM算法得到地址的節(jié)點區(qū)域。對此，源節(jié)點以及目的節(jié)點的地址類型就會有四種情況，如表1所示。

　　假設(shè)源節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址為A，深度為d；目的節(jié)點網(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：首先判斷邏輯表達式(12)是否成立，其中參數(shù)為Lm、Rm、Cm。

　　A<D<A+Cskip(d-1)(12)

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

　　其中0≤d≤Lm。

　　步驟2：首先判斷邏輯表達式(14)是否成立：

　　其中Achildren為節(jié)點A的子節(jié)點。

　　如果成立，則表示目的節(jié)點屬于節(jié)點A的子節(jié)點的擴展地址域，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)點即：Ne=Aparpent。

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

　　步驟4：首先判斷邏輯表達式(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；如果成立，若D是A的一跳鄰居節(jié)點，則修改下一跳地址Ne=D，若不是一跳鄰居節(jié)點，則通過式(13)計算下一跳地址，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]作為比較對象，通過OPNET仿真來觀察它們在性能方面的差異。其中網(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)點個數(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)點數(shù)的增加，AP-SAAM的性能更優(yōu)，這是因為AP-SAAM能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況實施地址擴展，從而能夠分配更多的地址，進而提高節(jié)點入網(wǎng)的概率。

　　圖4表示的是平均分配耗時與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)之間的關(guān)系，有圖可知，EDAA-BA、RBAC以及AP-SAAM都比DAAM平均耗時大，其中EDAA-BA耗時最大，這是因為其不斷進行借用地址花費了大量的時間，這一現(xiàn)象隨著節(jié)點的增加、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變得更加明顯，RBAC和AP-SAAM的平均耗時相當(dāng)。

　　圖5表示的是平均路由跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)之間的關(guān)系，其中路由跳數(shù)表示節(jié)點到其潛在鄰居節(jié)點的跳數(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，這是因為EDAA-BA算法在進行借用地址時專門考慮了迂回問題。

4 結(jié)束語

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

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