0 引言

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Wireless Sensor Network，WSN)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，是全球未來(lái)四大技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一^[1]。而ZigBee技術(shù)因其低成本、低功耗、低復(fù)雜度、高可靠性等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、智能家居、醫(yī)療等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用^[2]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型(Star)、樹(shù)形(Tree)和網(wǎng)狀(Mesh)3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)^[3]。其中ZigBee樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因擴(kuò)展方便覆蓋范圍廣，且Cluster-Tree算法僅依靠父子關(guān)系路由，不需要進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和路由列表維護(hù)，因而很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)泛洪壓力，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低了開(kāi)銷(xiāo)和能耗，所以被廣泛的應(yīng)用到低功耗、低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中^[4]。

    然而，當(dāng)所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中要采集大量信息時(shí)，承擔(dān)較大業(yè)務(wù)量的底層節(jié)點(diǎn)往往因依據(jù)Cluster-Tree算法進(jìn)行路由不能及時(shí)傳輸信息，而造成丟包和傳輸延時(shí)。同時(shí)信息量傳輸大的路徑上，節(jié)點(diǎn)能耗快，因而容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分割。比如煤礦開(kāi)采^[5]等環(huán)境復(fù)雜多變的情況下，采集節(jié)點(diǎn)平時(shí)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較少。但當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，需要緊急傳輸大量詳細(xì)信息。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中容易出現(xiàn)擁塞、丟包等問(wèn)題，不利于控制中心的處理。如何降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量是目前面臨的重要問(wèn)題。

    目前對(duì)ZigBee 樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)算法中，如參考文獻(xiàn)[6-9]中提到的HCTR算法、ENTR算法、一種改進(jìn)的Cluster-Tree算法和SATR算法，往往是通過(guò)結(jié)合引入的鄰居列表,從距離上優(yōu)化路由的下一跳，而并未考慮其所選下一跳是否發(fā)生擁塞，或是否在發(fā)生擁塞的路徑上，以及當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生擁塞后如何處理的問(wèn)題。因此本文提出Z-DMHCTR算法，不僅使一跳范圍內(nèi)的傳輸可以直接通過(guò)鄰居列表送達(dá)，而且對(duì)于緩存區(qū)剩余容量小于一定數(shù)值的節(jié)點(diǎn)，可利用其鄰居列表尋找額外的路徑進(jìn)行傳輸。在額外路徑的選取中，首先要考慮轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)大??；然后通過(guò)選中的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，要避免選用發(fā)生擁塞的節(jié)點(diǎn)所在的源傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，以此降低再次發(fā)生擁塞的可能性，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Cluster-tree路由機(jī)制

    ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)設(shè)備功能不同分為兩類(lèi)：可用來(lái)充當(dāng)協(xié)調(diào)器和路由器的全功能設(shè)備FFD和僅用來(lái)充當(dāng)終端葉子節(jié)點(diǎn)的精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有64位的IEEE擴(kuò)展地址作為其唯一的標(biāo)識(shí)。此外，還會(huì)獲得由其父節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配的16位網(wǎng)絡(luò)地址^[10]。以下分別介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)層地址分配機(jī)制和等級(jí)樹(shù)路由過(guò)程。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配

    ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配涉及到3個(gè)重要參數(shù)：L_m(網(wǎng)絡(luò)的最大深度)、C_m(父節(jié)點(diǎn)最多可擁有的子節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù))、R_m(子節(jié)點(diǎn)中最多可為路由節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù))。以上參數(shù)由協(xié)調(diào)器設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)中父節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址分配時(shí)，地址偏移量C_skip(d)可由式(1)計(jì)算得出，其中d為父節(jié)點(diǎn)深度^[10]。

    根據(jù)子節(jié)點(diǎn)類(lèi)型不同，地址分配分別依據(jù)式(2)和式(3)進(jìn)行。

其中A_p為深度為d的父節(jié)點(diǎn)地址。

1.2 Cluster-tree路由算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

    Cluster-tree路由算法依靠父子關(guān)系進(jìn)行。根據(jù)以上ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配公式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到目的地址為D的數(shù)據(jù)包后，可依照式(4)判斷D是否為自己的后代節(jié)點(diǎn)。若是則按照式(5)進(jìn)一步計(jì)算下一跳地址，否則向上發(fā)給父節(jié)點(diǎn)^[10]。

其中A為深度為d的節(jié)點(diǎn)的地址。

2 改進(jìn)算法設(shè)計(jì)

    通過(guò)引入鄰居列表，使空間相近的節(jié)點(diǎn)可以直接送達(dá)，從而不僅可以降低傳輸延時(shí)，還可以節(jié)省能量。同時(shí)在該鄰居列表中添加鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余緩沖區(qū)大小和鄰居節(jié)點(diǎn)擁塞示警位，以便在傳輸過(guò)程中降低發(fā)生擁塞的可能性。如果當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到自身緩沖區(qū)達(dá)到某預(yù)定值，則發(fā)起尋找到目的節(jié)點(diǎn)的額外的與自身傳輸路徑不相交的路徑進(jìn)行信息的傳輸，從而避免再次發(fā)生擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2.1 擁塞示警機(jī)制

    首先在鄰居列表中設(shè)置了剩余緩沖區(qū)大小(Buffer size)和擁塞警示位(Congestion alarm)。其中，剩余緩沖區(qū)大小由節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列的剩余值表示，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)大小高于特定值時(shí)，擁塞警示位置0，節(jié)點(diǎn)按照正常方式進(jìn)行路由；否則，擁塞警示位置1，節(jié)點(diǎn)會(huì)尋找額外路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)盡量避開(kāi)已發(fā)生擁塞的節(jié)點(diǎn)。鄰居列表的更新是通過(guò)對(duì)收到的數(shù)據(jù)包的包頭進(jìn)行分析進(jìn)行的。

2.2 Z-DMHCTR算法

    改進(jìn)算法的目的是能夠使ZigBee等級(jí)樹(shù)路由算法更好地處理大量或高速率數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題。因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生擁塞時(shí)，可通過(guò)尋找額外的節(jié)點(diǎn)不相交的路徑同時(shí)進(jìn)行信息傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，增加網(wǎng)絡(luò)吞的吐量。尋找節(jié)點(diǎn)不相交路徑是為了降低再次發(fā)生擁塞的可能性，因?yàn)樗x中下一跳節(jié)點(diǎn)可能與發(fā)生擁塞的節(jié)點(diǎn)具有相同的公共傳輸節(jié)點(diǎn)。

2.2.1 算法描述

    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有信息都傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)sink(協(xié)調(diào)器或簇首節(jié)點(diǎn))，在ZigBee樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，依據(jù)上節(jié)描述，Z-DMHCTR算法中每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鄰居列表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)量較低時(shí)，僅結(jié)合鄰居列表進(jìn)行判斷一跳范圍內(nèi)的直接傳輸，否則按照原路由方式進(jìn)行。若當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)緩沖隊(duì)列的剩余大小等于鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)時(shí)擁塞示警位置1，則發(fā)起尋找額外的節(jié)點(diǎn)不相交路徑的過(guò)程。發(fā)生擁塞的節(jié)點(diǎn)對(duì)鄰居列表中非父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至擁塞警示位為0且剩余緩沖區(qū)大的節(jié)點(diǎn)處。作為轉(zhuǎn)發(fā)的中間節(jié)點(diǎn)，則需要依靠樹(shù)型路徑信息，從鄰居列表中挑選出不與上發(fā)送節(jié)點(diǎn)相交的傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于挑選出的節(jié)點(diǎn)，再進(jìn)一步判斷緩存區(qū)大小，從而挑選出適合的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2.2 樹(shù)型路徑信息

    當(dāng)C_k取0時(shí)表明路徑已經(jīng)終止。根據(jù)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型不同，集合ZTP_i分為以下兩種類(lèi)型：

    轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)通過(guò)式(6)計(jì)算出父子關(guān)系路徑信息的集合，然后同發(fā)送節(jié)點(diǎn)的集合中元素進(jìn)行對(duì)比，從而可以判斷其公共節(jié)點(diǎn)所在的位置和深度。避免在依據(jù)等級(jí)樹(shù)路由方式路由時(shí)，采用相同節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2.3 Z-DMHCTR算法實(shí)現(xiàn)

    在源節(jié)點(diǎn)s向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的過(guò)程中：

    (1)發(fā)送節(jié)點(diǎn)（可能為源節(jié)點(diǎn)，也可能為中間節(jié)點(diǎn)）檢測(cè)到自身?yè)砣麡?biāo)志位γ=1后將相關(guān)信息封裝至分組頭部后，發(fā)起額外路徑尋找過(guò)程。

    (2)通過(guò)查詢(xún)鄰居列表篩選出非父節(jié)點(diǎn)到一個(gè)結(jié)合中，對(duì)集合中節(jié)點(diǎn)的擁塞警示位進(jìn)行判斷，若集合中節(jié)點(diǎn)均發(fā)生擁塞，則跳轉(zhuǎn)至步驟(5)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行；

    (3)優(yōu)先挑選鄰居列表中，剩余緩沖區(qū)較大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；

    (4)中間節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包并獲取分組頭信息后，若發(fā)現(xiàn)分組中擁塞標(biāo)志位置1，則將自身的路徑信息集合與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的路徑信息進(jìn)行對(duì)比。設(shè)變量l、i。l表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的集合中最后一個(gè)不為0的元素，i表示兩集合中最先出現(xiàn)不同的元素為第i個(gè)元素：

    ①若i=1，則相同節(jié)點(diǎn)為sink節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行步驟(5)；

    ②若i=l，則兩節(jié)點(diǎn)共父，跳轉(zhuǎn)至步驟(2)執(zhí)行；

    ②若1<i<l，則該中間節(jié)點(diǎn)同源節(jié)點(diǎn)在深度i-1處有公共父節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行步驟(5)；

    (5)仍按等級(jí)樹(shù)路由方式路由至下一跳節(jié)點(diǎn)；

    (6)傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)按照步驟(1)～(4)執(zhí)行，直至信息傳輸?shù)絪ink節(jié)點(diǎn)。

    算法具體傳輸過(guò)程舉例如下：因算法所挑選的路徑的數(shù)目會(huì)受到協(xié)調(diào)器子節(jié)點(diǎn)數(shù)目和發(fā)送節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目的影響，所以建立如下環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。其中(L_m，C_m，R_m)=(3，4，4)，協(xié)調(diào)器位于圓心，其余不同深度i的子節(jié)點(diǎn)部署在半徑為iR的同心圓上，如圖1所示。

    其中s為源節(jié)點(diǎn)，d為匯聚節(jié)點(diǎn)。根據(jù)式(1)結(jié)合所設(shè)定的參數(shù)可計(jì)算出深度為0，1，2時(shí)地址塊C_skip分別為21，5，1。然后結(jié)合式(2)計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)地址。TR為所設(shè)定的節(jié)點(diǎn)的通信范圍，確保一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)除父節(jié)點(diǎn)外，至少存在兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，以增加找到額外路徑的幾率。比如源節(jié)點(diǎn)s，其鄰居節(jié)點(diǎn)為i，f，g。正常情況下數(shù)據(jù)包的傳輸路徑為s→f→a→d，結(jié)合式(6)計(jì)算所得的等級(jí)樹(shù)路徑信息記為ZTP_s=(1，1，1)。即s為其父節(jié)點(diǎn)f的第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，f為其父節(jié)點(diǎn)a的第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，依次類(lèi)推。如果當(dāng)源節(jié)點(diǎn)s擁塞標(biāo)志位置1后，節(jié)點(diǎn)s依據(jù)其鄰居列表尋找額外的路徑。當(dāng)選擇節(jié)點(diǎn)g為其下一跳并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包后，節(jié)點(diǎn)g通過(guò)將自身的樹(shù)路徑信息集合ZTP_g=(1，1，2)，與源節(jié)點(diǎn)s的進(jìn)行對(duì)比，可知其第一個(gè)不同元素出現(xiàn)的位置為集合中第3個(gè)元素，則可判斷兩節(jié)點(diǎn)s和g共父節(jié)點(diǎn)。所以節(jié)點(diǎn)g從其鄰居列表中挑選非父的節(jié)點(diǎn)k為其下一跳。當(dāng)k收到數(shù)據(jù)包后同樣將ZTP_k=(2，1，1)與ZTP_s進(jìn)行對(duì)比，其第一個(gè)不相同的元素位于第一位，由此可知節(jié)點(diǎn)k同節(jié)點(diǎn)s只有在sink節(jié)點(diǎn)處才相交。因此節(jié)點(diǎn)k可按照等級(jí)樹(shù)路由方式進(jìn)行路由，由此尋找到的第二條路徑為s→g→k→p→b→d。同樣如果s選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)為i，由同樣的過(guò)程可以得出另一條傳輸路徑為s→i→h→j→c→d。如此可以在避免二次發(fā)生擁塞的情況下，將數(shù)據(jù)傳輸至sink節(jié)點(diǎn)，從而降低丟包率，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3 Z-DMHCTR路由協(xié)議性能仿真與分析    

3.1 仿真環(huán)境

    仿真基于NS2平臺(tái)，重點(diǎn)將傳輸過(guò)程中，Z-DMHCTR算法在網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量、分組遞交率和端到端的平均傳輸延時(shí)與Cluster-Tree算法進(jìn)行比較分析。仿真結(jié)果證明了改進(jìn)算法是有效的。

    本實(shí)驗(yàn)利用IEEE802.15.4的PHY層和MAC層來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的仿真，網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大小為150 m×150 m，網(wǎng)絡(luò)布局依照同心圓建立。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)中心，同心圓半徑為節(jié)點(diǎn)所在深度倍的R。所有仿真數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行20次取平均值所得。仿真過(guò)程中通過(guò)Trace文件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)追蹤記錄，并通過(guò)gawk工具對(duì)其進(jìn)行提取和處理，最后通過(guò)gnuplot工具繪制二維圖形并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。具體仿真環(huán)境的參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果與分析

    實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)將節(jié)點(diǎn)緩沖隊(duì)列設(shè)置的較小，并且采用Pareto分布流量產(chǎn)生器，從而使節(jié)點(diǎn)緩沖隊(duì)列長(zhǎng)時(shí)間處于擁塞狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖2所示。

    圖2所示的分組遞交率是通過(guò)式(8)計(jì)算所得，其中僅包括發(fā)生在路由層的傳輸包。

    從圖中可以看出改進(jìn)后算法的分組遞交率優(yōu)于改進(jìn)前算法。尤其在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行至80 s時(shí)，改進(jìn)前后算法的分組頭地率有最大差值，此時(shí)改進(jìn)前后算法的分組投遞率分別為9.742%、11.932%,改進(jìn)后算法提高了2.19%。

    圖3中平均吞吐量指的是單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，可由式(9)計(jì)算。

其中N為成功傳送的分組數(shù)，P_size為一個(gè)封包的大小，t_start和t_end分別為仿真模擬的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間。

    雖然隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，改進(jìn)前后算法的吞吐量均呈下降趨勢(shì)，在50 s～80 s間改進(jìn)后算法平均吞吐量明顯高于改進(jìn)前算法，從表2中可以看出在70 s處兩者出現(xiàn)最大差值2 760。說(shuō)明改進(jìn)后算法通過(guò)多條路徑傳輸確實(shí)改善了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

    圖4為發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)整體的平均吞吐量變化情況。

    Z-DMHCTR算法所挑選的路徑數(shù)目會(huì)受到鄰居節(jié)點(diǎn)等的影響，而且大量傳輸包發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生碰撞而導(dǎo)致丟包，因此增加發(fā)送節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行仿真?？梢钥吹剑倪M(jìn)前后算法網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量增長(zhǎng)情況均變緩，但Z-DMHCTR算法通過(guò)尋找額外的傳輸路徑與原算法相比仍提升了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

    圖5所示的平均端到端延時(shí)是通過(guò)式(10)計(jì)算所得：

其中N為成功傳送的分組數(shù)，t_r(i)為分組傳輸至目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，t_s(i)為分組被發(fā)送的時(shí)刻。雖然改進(jìn)后算法通過(guò)非父子關(guān)系路徑傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可能使傳輸條數(shù)增多而增加部分延時(shí)，但同時(shí)也降低了數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)處緩存而引發(fā)的延時(shí)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然延時(shí)相差非常小，但改進(jìn)算法因?yàn)樗x路徑不為最短所造成的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)并未影響網(wǎng)絡(luò)整體性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

    目前，ZigBee技術(shù)依然是最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)接入端的短距離無(wú)線通信技術(shù)。而其樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也因?yàn)橹С止?jié)能操作和輕量級(jí)路由并且已擴(kuò)展而得到了廣泛應(yīng)用。但因Cluster-tree路由特點(diǎn)和ZigBee 技術(shù)本身傳輸帶寬限制，使其對(duì)突發(fā)大量數(shù)據(jù)的傳輸或圖像傳輸?shù)纫恍└邤?shù)據(jù)速率應(yīng)用的處理存在問(wèn)題。本文針對(duì)上情況提出改進(jìn)的Z-DMHCTR算法，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生擁塞前能夠?qū)ふ翌~外路徑傳輸數(shù)據(jù)，從而不僅可以提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低丟包率，還可以均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，避免部分節(jié)點(diǎn)因過(guò)度使用而死亡造成網(wǎng)絡(luò)分割，從而提升了網(wǎng)絡(luò)整體的性能。

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