ZigBee组网总结

ZigBee组网

设备类型：

• 全功能设备（FFD),具备完善的功能，可以完成全部功能。
• 精简功能设备（RFD），功能较为简单，只具有部分功能，成本低

设备角色：

• 协调器（Coordinator），用于初始化、设置网络信息，组织成网络，由FFD担任
• 路由器（Router），传递和中继信息的设备，提供信息的双向传输，由FFD担任。
• 终端设备（End Device），具有监视或控制功能的节点，只能作为子设备进行工作，由RFD担任。

设备角色

协调器

ZigBee中的第一个设备，一个ZigBee只能有一个协调器；

在传感器网络中也称为汇聚节点，协调器也能执行路由器的功能

功能：

• 扫描搜索，发现一个空闲的信道和网络标识并进行占用，以启动和配置一个ZigBee网络，让其他节点进入网络
• 管理网络节点、存储网络节点信息，并且可以同网络中的任何设备通信
• 规定网络拓扑参数，如最大子节点个数、最大层数、路由算法、路由表生存周期等

路由器

路由功能：

• 路由发现和选择
• 路由维护
• 路由过期

信息转发：

• 存储发往子设备的信息，直到子设备醒来，将数据转发给子设备
• 接收子设备的信息，转发给其他节点

终端设备

• 连接到一个已经存在的网络并和网络交换数据
• 不执行任何路由功能，设备之间不能通信，从而有效地控制成本和复杂性；

网络拓扑

• 星型
  • 所有终端设备都只与处于中心的协调器通信，终端设备之间的通信需要协调器做路由。星型网的控制和同步较简单，通常用于节点数量较少的情况；
• 网状拓扑
  • 由若干个FFD连接在一起组成骨干网，FFD之间是对等通信，FFD中必须有一个是协调点。网状拓扑可为传输的数据包提供多条路径，并且网络的健壮性更好；
• 树形拓扑
  • 分等级的树形路由。树根一般为协调者，树干是路由器，均由FFD承担，叶子结点一般是RFD设备；

路由协议

ZigBee路由：Cluster-Tree AODVJr

Cluster-Tree

Cluster-Tree 地址分配：

协调器建立新网络，给自己分配地址0，网络深度d0=0;

如果节点i与k连接，那么节点k称为i的父节点；

节点根据自身的地址Ak和网络深度dk,为节点i分配网络地址Ai和网络深度（di=dk+1）

节点k为第一个与它关联的路由节点分配比自己大1的地址，之后与之关联的路由节点的地址，与前一个地址之间相隔偏移量Cskip(d)。

Cluster-Tree 路由：

一个路由节点根据收到分组的目的网络地址来计算该分组的下一跳。

假设路由器网络地址为A，深度为d。算法如下：

路由器将首先通过表达式 A < D < A + Cskip(d-1)判断目的节点是否是自己的子孙节点，如果成立则是，不成立则不是；

成立：

• D > A + Rm * Cskip(d)，即目的节点是A的终端子节点，则下一跳节点的地址N为D，直接发送给D即可；
• 否则，求出下一跳节点是A的哪一个路由子节点，发送给这个子节点，计算方法如下：
  • KaTeX parse error: Undefined control sequence: \abs at position 9: N = A+1+\̲a̲b̲s̲{\frac{D-(A+1)}…

不成立：

• D不是A的子孙节点，下一跳节点是A的父节点。

Cluster-Tree 路由的特点：

• 不存在路由发现过程，节点不需要维护路由表，从而减少了路由协议的控制开销和节点能耗，且降低了对节点存储能力的要求，降低了节点成本；
• 问题：路由不是最优路由，造成分组传输延迟较高。而且靠近协调节点的节点往往业务量较大，深度较大的节点业务量较小，容易造成网络中通信流量分配不均衡。

AODVjr：发现最优路径

• 按需分配的路由协议，只有在路由节点接收到网络分组，且网络分组的目的地址不在节点的路由表中时才会进行路由发现。
• 优点：不需要进行周期的路由广播，节省网络资源，降低功耗。
• 缺点：需要时才发起路由寻找，增加交换分组到达目的地的延迟。

AODVjr执行过程

路由发现：

具有路由能力的节点，当接收到高层的发送数据帧请求，且路由表中没有和目的节点对应的条目时，就会发起路由发现过程。源节点首先创建路由请求分组（RREQ），并使用组播方式向周围节点进行广播。

接收节点行为：

1. 如果是第一次接收到这个RREQ分组,且分组的目的地址不是自己，则节点会保留这个RREQ分组的信息用于建立反向路径，然后将RREQ分组广播出去；
2. 如果已经接受过这个RREQ分组，表明这个分组是多个节点频繁广播产生的多余分组，节点将丢弃这个分组。

反向路由建立

当RREQ分组从源节点转发到不同的目的节点时，沿途所有经过的节点都要自动建立到源节点的反向路由，也就是记录当前接收到的RREQ分组是哪一个节点转发的；

RREQ到达目的节点后，目的节点产生RREP分组，作为对RREQ的应答。
由于之前已经建立了明确的反向路由，因此RREP无需广播，只需要按照反向路由的指导，采取单播的形式即可把RREP分组传送给源节点。

正向路由建立

在RREP分组以单播形式发回源节点的过程中，沿着这条路径上的每个节点都会根据RREP分组的指导加你到目的节点的路由，即确定到目的地址的分组的下一跳。

至此，一个路由建立过程完毕。源节点和目的节点之间可以开始传输数据。

路由协议的度量指标

• 跳数
  • 距离越短，路由选择的优先级越大
• 最小化每个分组的传输能耗
  • 选择能够最小化数据传输总开销的路径
• 以上两个机制的问题是什么？
  • 出现网络分割，覆盖率降低
• 最大化网络分割出现的时间
  • 尽量降低关键路径上节点的能耗
• 能量有效的路由选择(MBCR)
  • 以路径上所有节点的剩余能量作为路由选择的度量指标能量有效的路由选择(MBCR)以路径上所有节点的剩余能量作为路由选择的度量指标
  • 最终选择路径电池开销最小的路径