ZigBee是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本文從提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電池能量利用效率出發(fā)，介紹了能量有效路由協(xié)議的類別，分析了能量有效路由選擇量度。同時(shí)，根據(jù)ZigBee在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用特性，討論了能量均衡消耗的路由機(jī)制的主要特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為能量有效路由繼旨在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

　　在采用ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)不僅有自身通信需求，同時(shí)還要頻繁參與轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組和控制分組，從而消耗自己的電池能量。嚴(yán)重情況下，節(jié)點(diǎn)不僅自己不能通信，還有可能造成網(wǎng)絡(luò)分割，導(dǎo)致大部分生存下來(lái)的節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法通信。嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。因此，節(jié)點(diǎn)電池能量的有效利用從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命在諸如ZigBee網(wǎng)絡(luò)這樣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是至關(guān)重要的。

　　1.能量有效路由協(xié)議分類

　　網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，要么處于通信狀態(tài)，要么處于空閑狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)時(shí)，處于通信狀態(tài);節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)就處于空閑狀態(tài)，但此時(shí)也需要消耗能量。按照節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的不同可以將能量有效路由協(xié)議分為兩類：節(jié)省通信狀態(tài)下能量消耗的路由協(xié)議和節(jié)省空閑狀態(tài)下能量消耗的路由協(xié)議。

　　節(jié)省通信狀態(tài)下能量消耗的路由選擇方案研究主要包括兩個(gè)方面：一方面，尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)總體消耗能量最少的路由。具體方法是控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，使其達(dá)到保證正常傳輸數(shù)據(jù)分組的最小功率，通過(guò)降低路徑的總傳輸功率來(lái)節(jié)省節(jié)點(diǎn)的電池能量，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)總體消耗能量的目的，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率相同，尋找總發(fā)送功率最小的路由就成為尋一找最小跳數(shù)路由。這一類路由協(xié)議有MTPR、PARO和COMPOW等。另一方面，盡量使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均衡地消耗能量，要求尋找路由時(shí)盡量選擇剩余能量高的節(jié)點(diǎn)參與中繼轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)避免使用剩余電池能量不足的節(jié)點(diǎn)加入路由，避免低電節(jié)點(diǎn)因耗盡電池能量退出網(wǎng)絡(luò)而造成網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象。這一類路由協(xié)議有LEAR、EDDSR、MBCR等。

　　節(jié)省空閑狀態(tài)下的能量消耗的路由協(xié)議主要考慮在不影響正常通信的前提下。采用盡量將自己的工作模式調(diào)整到休眠或者關(guān)機(jī)的方一式來(lái)節(jié)能能量消耗。這一類路由協(xié)議有GAF、Span等。

　　不管哪種能量有效路由協(xié)議都不能保證在所有的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中都是最優(yōu)的，不同的情況下這些路由協(xié)議所表現(xiàn)出來(lái)性能是不同的，因此需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的具體情況來(lái)選擇使用哪一種能量有效的路由協(xié)議。

　　2.能量有效路由選擇量度

　　路由協(xié)議通常使用一些傳統(tǒng)的度量指標(biāo)來(lái)選擇路由，例如DSR、TORA、AODV等都以最小跳數(shù)為度量路由的標(biāo)準(zhǔn)，DARPA結(jié)合最小跳數(shù)和鏈路質(zhì)量為選擇路由的度量標(biāo)準(zhǔn)，SRA則以消息和時(shí)延開(kāi)銷為路由度量指標(biāo)等等。在這些路由協(xié)議中，業(yè)務(wù)量較多或參與較多數(shù)據(jù)分組和控制分組轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)容易相比網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)過(guò)快地耗盡電池能量，可能引起網(wǎng)絡(luò)分割，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　(1)最小化每分組消耗的能量

　　這是一種較為直接的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量消耗的度量方法。其基本思想是使分組所經(jīng)路徑的每跳鏈路消耗能量的總和最小化。在每條鏈路消耗能量相等的情況下，此量度相當(dāng)于最小跳數(shù)量度。此量度使每個(gè)分組所消耗的能量最小化但它的主要缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡，而使部分節(jié)點(diǎn)比其它節(jié)點(diǎn)更快地耗盡電池能量，如圖1所示。

圖1 能量路由選擇量度示意圖

　　在這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，如?-3、1-4、2-5的分組均選擇節(jié)點(diǎn)6為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)6就會(huì)因?yàn)闃I(yè)務(wù)量過(guò)大而過(guò)早地耗盡電池能量，這樣就無(wú)法真正達(dá)到延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

　　(2)最大化網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)時(shí)刻

　　此量度的目標(biāo)是使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均衡消耗能量，盡可能地推遲網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)的時(shí)刻。達(dá)到此目標(biāo)的基本方法是找到容易引起網(wǎng)絡(luò)分割的節(jié)點(diǎn)，盡量減少這些節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量，使這些節(jié)點(diǎn)的壽命最大化，從而使網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)的時(shí)刻最大化。但是如果要求同時(shí)滿足低時(shí)延和高吞吐量，此量度很難被優(yōu)化。

　　(3)最小化節(jié)點(diǎn)剩余能量水平差異

　　此量度要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量盡可能保持相等，從而保證節(jié)點(diǎn)的壽命盡可能相等，以達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

　　(4)最小化每個(gè)分組的開(kāi)銷

　　此度量旨在最大化網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的壽命。用

　　表示節(jié)點(diǎn)i的開(kāi)銷函數(shù)，其中 假設(shè)為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量，那么經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)(

　　)的分組j的開(kāi)銷為：

　　其中，n1為源節(jié)點(diǎn)，nk為目的節(jié)點(diǎn)。

　　此度量的目標(biāo)就是使分組j的開(kāi)銷cj最小化更加直觀，開(kāi)銷函數(shù)

　　可以表示節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)分組的意愿程度，

　　越小表示節(jié)點(diǎn)意愿程度越大，如式2：

　　此時(shí)剩余能量越多的節(jié)點(diǎn)開(kāi)銷越小，參與轉(zhuǎn)發(fā)分組的可能性越大;反之，剩余能量越少的節(jié)點(diǎn)開(kāi)銷越大，參與轉(zhuǎn)發(fā)分組的可能性越小。使用這種度量標(biāo)準(zhǔn)選擇路由應(yīng)盡量避開(kāi)剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)，從而使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的壽命最大化。

　　(5)最小化節(jié)點(diǎn)最大開(kāi)銷

　　仍然用 表示節(jié)點(diǎn)i的開(kāi)銷函數(shù)，那么路由r的開(kāi)銷Cr，為此條路由上開(kāi)銷最大節(jié)點(diǎn)的開(kāi)銷函數(shù)，此度量選擇Cr最小的那條路由，也就是選擇路徑上節(jié)點(diǎn)開(kāi)銷最大值最小的那條路由。例如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校?-3、1-4、2-5的分組選擇路由時(shí)將會(huì)盡量避免選擇節(jié)點(diǎn)6，這樣就能使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)盡可能均衡地消耗能量。此度量保證避免選擇能量最低的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，使網(wǎng)絡(luò)的壽命最大化。

　　3.能量均衡消耗的路由機(jī)制

　　能量均衡消耗的路由機(jī)制盡量讓網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均衡消耗能量，從而達(dá)到延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。這類路由選擇策略基于網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都同等重要的假設(shè)，它們的共同不足是不能保證分組的傳輸總耗能最低，而且為了避開(kāi)低電節(jié)點(diǎn)，不同程度地增加了源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑跳數(shù)。

　　(1)最小電池開(kāi)銷路由

　　最小電池開(kāi)銷路由(Minimum Battery Cost Routing，MBCR)把路徑上所有節(jié)點(diǎn)的剩余電池能量總和作為路由選擇的度量指標(biāo)，選擇的路徑是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)總的剩余電池能量最多的路徑。

　　假一設(shè)節(jié)點(diǎn)ni，在某一時(shí)刻的電池剩余能量為ei，

　　為反映節(jié)點(diǎn)剩余能量的開(kāi)銷函數(shù)，將它定義為：

　　可以看出，節(jié)點(diǎn)電池剩余能量與此開(kāi)銷函數(shù)成反比，剩余能量越大的節(jié)點(diǎn)，其開(kāi)銷函數(shù)就越小，它參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的意愿程度就越大，此節(jié)點(diǎn)被選作路徑中間節(jié)點(diǎn)的幾率也就越高;反之，剩余能量越小的節(jié)點(diǎn)，其開(kāi)銷函數(shù)就越大，它參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的意愿程度就越小。

　　設(shè)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間路徑為

　　，其中n0是源節(jié)點(diǎn)，nd是目的節(jié)點(diǎn)，

　　那么路徑j(luò)的電池開(kāi)銷定義為：

　　MBCR選擇路徑電池開(kāi)銷最小的那條路徑r，即：

　　其中，A是源節(jié)點(diǎn)n0與目的節(jié)點(diǎn)之間所有可能路徑的集合。

　　如果所有節(jié)點(diǎn)的剩余電池能量一樣多，該方案相當(dāng)于選擇一個(gè)最小跳路由。MBCR選擇總的剩余電池能量最多的那條路由，防止了節(jié)點(diǎn)的過(guò)度使用，在一定程度上延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命，剩余能量充足的節(jié)點(diǎn)比剩余能量匱乏的節(jié)點(diǎn)更多地參與數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，保存了低電節(jié)點(diǎn)的電池能量，推遲了網(wǎng)絡(luò)分割的時(shí)間。但是，此量度只考慮了電池開(kāi)銷函數(shù)值的總和，也有可能選擇包含剩余電池能量小的節(jié)點(diǎn)的路徑。這樣就會(huì)更快地耗盡原本剩余電池能量已不足的節(jié)點(diǎn)，從而無(wú)法達(dá)到均衡全網(wǎng)電池能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

　　(2)最小最大電池開(kāi)銷路由

　　為了彌補(bǔ)MBCR所存在的不足，最小最大電池開(kāi)銷路由(Min-Max Battery Cost Routing，MMBCR)策略對(duì)MBCR做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。MMBCR將以n0為源節(jié)點(diǎn)，以nd為目的節(jié)點(diǎn)的路徑

　　性，的電池開(kāi)銷重新定義為：

　　其中， 是節(jié)點(diǎn) 在某一時(shí)刻的電池剩余能量，將節(jié)點(diǎn)電池開(kāi)銷

　　仍然采用(式3)的定義。

　　MMBCR選擇電池開(kāi)銷最小的那條路徑r，即：

　　其中，A是源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之問(wèn)所有路由的集合。

　　MMBCR仍然把節(jié)點(diǎn)的電池剩余能量作為路由選擇的量度，與MBCR不同的是，它不是選擇總體電池開(kāi)銷最小的路由，而是選擇路徑上節(jié)點(diǎn)最大電池開(kāi)銷最小的那條路由。給定源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間路徑上電池能量最低的節(jié)點(diǎn)的剩余能量稱為此條路徑的瓶頸能量MMBCR選擇的路徑就是瓶頸能量最大的那條路徑。MMBCR使電池能量充足的節(jié)點(diǎn)比電池能量匱乏的節(jié)點(diǎn)更多地參與數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。

　　4.結(jié)語(yǔ)

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于能量有效的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸路由協(xié)議也得到了不斷的優(yōu)化。目前，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究中，MMBCR在選擇路由時(shí)避開(kāi)了網(wǎng)絡(luò)中剩余能量最少的節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到了全網(wǎng)的能量均衡消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。但是，MMBCR和MBCR一樣，不能保證在任何情況下都選擇總傳輸功率最小的路徑，因此，根據(jù)傳輸功率大小適時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)路由將成為提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)能量使用效率的發(fā)展方向。