一种Zigbee网络路由节点能量均衡构建方法

一种zigbee网络路由节点能量均衡构建方法
技术领域
1.本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种zigbee网络路由节点能量均衡构建方法。


背景技术：

2.联网技术作为一个新兴的产业，发展速度非常迅速，物联网它是一种物物相连的互联网，通过传感器和rfid技术，可以把任何物体接入到互联网中，实现物体信息的通信和数据的采集分析。物联网的应用技术中最主要的技术是射频识别技术、传感器技术和计算机技术来实现物体的互联与信息交互，结合人工智能技术和大数据分析实现智能化的决策，物联网是互联网的应用拓展，物联网是当前互联网应用的拓展，延伸了互联网的业务和应用，zigbee网络节点主要是依靠电池供电，由于网络节点体积小，节点能量十分有限，当网络节点的能量消耗完，网络会出现大量孤立节点，造成数据分组发送的冗余，出现网络拥塞，因此降低网络节点能耗是zigbee网络在实际应用中的关键技术。网络数据分组的转发是通过zigbee路由协议来实现的，高效利用网络中节点能量是路由算法优化关键所在。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种zigbee网络路由节点能量均衡构建方法，依据全局节点能量度量标准对节点的类型进行分类，根据节点所在的能量状态区域选择不同的路由策略，能量状态处于充足区和偏低区的节点进行rreq广播报文的转发，可以作为aodvjr的下一跳节点进行数据分组转发；预警和接近死亡只作为cluster
‑
tree算法节点进行数据转发，当源节点发起路由请求过程时，直接广播rreq报文分组时，选择能量水平高的节点进行下一跳数据分组转发，该方法有效降低了网络整体能耗，提高了节点生存率。
4.一种zigbee网络路由节点能量均衡构建方法，包括如下步骤：
5.第一步，设节点初始能量值为energy，定义网络节点能量度量标准echange；
6.第二步，依据全局节点能量度量标准echange对节点的类型进行分类，节点能量充足为1状态，节点能量不充足为0状态；
7.第三步，根据节点所在的能量状态区域选择不同的路由策略，能量状态处于1状态的节点进行rreq广播报文的转发，可以作为aodvjr的下一跳节点进行数据分组转发，能量状态处于0状态的节点只能够作为cluster
‑
tree算法节点进行数据转发；
8.第四步，在节点路由发现阶段，接收到rreq包时，如果源节点是rfd节点要发送数据分组到网络中其它目的节点，则rfd节点直接把数据分组发送给网络中父节点，由父节点向目的节点转发数据；
9.父节点最多可以连接的子节点数为cm，lm表示网络最大深度，rm表示子节点最多可以连接路由节点的个数，父节点为子节点分配地址的偏移量cskip(d)如公式(1)所示：
[0010][0011]
一个节点深度为depth的地址是aparent,那么它的第n个ffd节点地址affd和第n子节点地址arfd地址为：
[0012]
affd＝aparent+(n
‑
1)*cskip(d)+1
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(2)
[0013]
arfd＝aparent+rm*cskip(d)+n
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(3)
[0014]
根据公式(2)、(3)地址分配方法，节点根据公式(4)，判断分组目的节点是不是自己的后代节点；
[0015]
a<addr<a+cskp(d
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0016]
节点的地址为a，深度为d，地址addr的节点地址为a节点的后代节点；
[0017]
如果源节点是ffd节点，本身具有路由功能，通过节点的路由表来启动路由发现过程，判断当前节点是否为rreq目的节点，如果是目的节点则返回rrep报文；如果不是则进入第五步；
[0018]
第五步，在路由发现过程中，根据当前节点自身剩余能量，通过全局节点能量度量标准echange确定节点所在的能量状态；
[0019]
若当前节点工作状态处于0状态，直接丢弃rreq报文；
[0020]
否则，利用公式(4)确定目的节点是否是当前节点的后代节点，如果是后代节点，根据公式(3)来确定报文下一跳的地址；
[0021]
如果不是后代节点，则查看当前节点rreq报文分组里设置的分组跳数，若hops<2lm，则节点的能量充足，转发此rreq报文；
[0022]
当目的节点收到rreq报文后，回复rrep报文应答；
[0023]
源节点收到目的节点回复后返回应答的rrep报文，直到数据发送完毕。
[0024]
优选的，全局节点能量度量标准为动态更新值，能够使网络中节点随着网络总能量变化重新恢复为有效路由节点。
[0025]
优选的，所述网络节点能量度量标准echange，定义如下：
[0026][0027][0028]
其中，t表示节点运行时间，从节点加入网络时间开始计算，di表示第i节点的网络深度，λ为平衡系数。
[0029]
优选的，所述对节点的类型进行分类，具体是将网络中的ffd和rfd节点根据本身剩余能量值与echange值进行比较确定节点的能量状态，将节点能量按大小划分出充足区域、偏低区域、预警区域和接近死亡区域四种，其中节点能量处在充足区域和偏低区域的为1状态，节点能量处在预警区域和接近死亡区域的为0状态。
[0030]
优选的，源节点收到目的节点回复后返回应答的rrep报文，是按照路由发现过程中建立的路径进行数据的发送，直到数据发送完毕。
[0031]
本发明的优点在于：根据动态建立的全局节点能量度量标准对节点能量状态进行划分，全局节点能量度量标准动态更新值，可以使网络中节点随着网络总能量变化能够重新恢复为有效路由节点。本节点能量均衡构建方法依据全局节点能量度量标准对节点的类型进行分类，网络中的ffd和rfd节点根据本身剩余能量值与值进行比较确定节点的能量状态，能量状态划分为充足、偏低、预警和接近死亡4种状态，根据节点所在的能量状态区域选择不同的路由策略，能量状态处于充足区和偏低区的节点进行rreq广播报文的转发，可以作为aodvjr的下一跳节点进行数据分组转发；预警和接近死亡只作为cluster
‑
tree算法节点进行数据转发，当源节点发起路由请求过程时，直接广播rreq报文分组时，选择能量水平高的节点进行下一跳数据分组转发，该方法有效降低了网络整体能耗，提高了节点生存率。
附图说明
[0032]
图1为本发明方法对rreq处理的流程图；
[0033]
图2为本发明方法的描述路由算法平均路由跳数对比图；
[0034]
图3为本发明方法的描述数据端到端延迟时间对比图；
[0035]
图4为本发明方法的描述网络总体能量消耗随仿真时间变化对比图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0037]
如图1至图4所示，本发明构建方法尽量控制网络中无效广播分组的发送，节省网络中节点能量，延长网络生命周期，推迟网络分割的出现，在zigbee网络中，高层节点除了自身数据的转发之外，还要负责后裔节点数据分组的转发工作，导致高层节点负担过重，节点能量消耗过快，能量耗尽导致高层节点出现死亡，网络出现分割，因此，本发明构建方法保护高层节点，防止网络出现分割。
[0038]
本发明构建方法平衡网络中所有节点能量水平，在网络运行的过程中，节点分组转发时跳数过多，部分节点数据转发数据频繁，节点剩余能量较少，这类节点一般都是网络中的ffd节点，此类节点能量耗尽后，直接导致网络出现分割现象，造成信道的拥塞，影响网络的整体效率，实现节点能量均衡，可以延长网络整体寿命。根据cluster
‑
tree算法地址分配策略，协调器地址分配计算方法规定：父节点最多可以连接的子节点数为cm，lm表示网络最大深度，rm表示子节点最多可以连接路由节点的个数，父节点为子节点分配地址的偏移量cskip(d)如公式(1)所示：
[0039][0040]
一个节点深度为depth的地址是aparent,那么它的第n个ffd节点地址affd和第n子节点地址arfd地址为：
[0041]
affd＝aparent+(n
‑
1)*cskip(d)+1
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(2)
[0042]
arfd＝aparent+rm*cskip(d)+n
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(3)
[0043]
根据公式(2)，(3)地址分配方法，节点根据(4)式，判断分组目的节点是不是自己
的后代节点。
[0044]
a<addr<a+cskp(d
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0045]
节点的地址为a，深度为d，地址addr的节点地址为a节点的后代节点。
[0046]
考虑到网络节点总能量消耗，全局节点能量度量标准为动态更新值，可以使网络中节点随着网络总能量变化能够重新恢复为有效路由节点。
[0047]
依据全局节点能量度量标准对节点的类型进行分类，网络中的ffd和rfd节点根据本身剩余能量值与阀值进行比较确定节点的能量状态，本文中节点能量状态划分为充足、偏低、预警和接近死亡4种状态，根据节点所在的能量状态区域选择不同的路由策略，能量状态处于充足区和偏低区的节点进行rreq广播报文的转发，节点的工作状态分为：1，可以作为aodvjr的下一跳节点进行数据分组转发；节点的工作状态为：0，预警和接近死亡只作为cluster
‑
tree算法节点进行数据转发，当源节点发起路由请求过程时，直接广播rreq报文分组时，选择工作状态为1的能量水平高的节点进行下一跳数据分组转发。
[0048]
定义的全局节点能量度量标准计算公式定义如下：
[0049]
假设节点初始能量值为energy，对网络中节点，定义网络节点能量度量标准echange，公式如下：
[0050][0051][0052]
其中，t表示节点运行时间，从节点加入网络时间开始计算，di表示第i节点的网络深度。
[0053]
具体实施方式及原理：
[0054]
本发明实施的zigbee网络路由节点能量均衡构建方法(izra
‑
aodvjr)，包括如下步骤：
[0055]
s1:全局节点能量度量标准为动态更新值，可以使网络中节点随着网络总能量变化能够重新恢复为有效路由节点，aodvjr算法在路由发现过程中频繁使用网络中靠近协调器的高层节点进行数据分组转发，导致节点能量耗尽死亡，所以网络节点能量度量标准应该与节点深度和网络运行时间有关。
[0056]
s2:节点初始能量值为energy，对网络中节点，定义网络节点能量度量标准echange如下：
[0057][0058][0059]
其中，t表示节点运行时间，从节点加入网络时间开始计算，di表示第i节点的网络深度，λ为平衡系数，减缓echange值减小的速度。
[0060]
s3:依据全局节点能量度量标准echange对节点的类型进行分类，网络中的ffd和rfd节点根据本身剩余能量值与echange值进行比较确定节点的能量状态，本文中节点能量
状态划分为充足、偏低、预警和接近死亡4种。
[0061]
s4:根据节点所在的能量状态区域选择不同的路由策略，能量状态处于充足区和偏低区的节点进行rreq广播报文的转发，节点的工作状态分为1状态，可以作为aodvjr的下一跳节点进行数据分组转发。能量状态处于预警区和接近死亡区为0状态，只作为cluster
‑
tree算法节点进行数据转发，当源节点发起路由请求过程时，直接广播rreq报文分组时，选择1状态的能量水平高的节点进行下一跳数据分组转发。
[0062]
s5:在节点路由发现阶段，接收到rreq包时，如果源节点是rfd节点要发送数据分组到网络中其它目的节点，则rfd节点直接把数据分组发送给网络中父节点，由父节点向目的节点转发数据；如果源节点是ffd节点，本身具有路由功能，通过节点的路由表来启动路由发现过程，判断当前节点是否为rreq目的节点，如果是目的节点则返回rrep报文。否则进入步骤s6。
[0063]
s6:在路由发现过程中，根据当前节点自身剩余能量，通过全局节点能量度量标准echange确定节点所在的能量状态。
[0064]
s7:若当前节点工作状态为0状态，直接丢弃rreq报文。
[0065]
s8:否则，判断当前节点利用公式a<addr<a+cskp(d
‑
1)确定目的节点是否是当前节点的后代节点，如果是后代节点，根据公式arfd＝aparent+rm*cskip(d)+n来确定报文下一跳的地址。
[0066]
s9:如果不是后代节点，则查看当前节点rreq报文分组里设置的分组跳数，若hops<2lm，则节点的能量充足，转发此rreq报文；
[0067]
s10：当目的节点收到rreq报文后，回复rrep报文应答。
[0068]
s11:源节点收到目的节点返回应答的rrep报文时，按照路由发现过程中建立的路径进行数据的发送，直到数据发送完毕。
[0069]
基于上述，本发明依据全局节点能量度量标准对节点的类型进行分类，根据节点所在的能量状态区域选择不同的路由策略，能量状态处于充足区和偏低区的节点进行rreq广播报文的转发，可以作为aodvjr的下一跳节点进行数据分组转发；预警和接近死亡只作为cluster
‑
tree算法节点进行数据转发，当源节点发起路由请求过程时，直接广播rreq报文分组时，选择能量水平高的节点进行下一跳数据分组转发，该方法有效降低了网络整体能耗，提高了节点生存率。
[0070]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。