發布日期：2022-05-20 點擊率：41
ZigBee是物聯網領域廣泛應用的一種技術標準，本文從提高ZigBee網絡節點電池能量利用效率出發，介紹了能量有效路由協議的類別，分析了能量有效路由選擇量度。同時，根據ZigBee在物聯網中的應用特性，討論了能量均衡消耗的路由機制的主要特點和應用優勢，為能量有效路由繼旨在ZigBee網絡中的應用提供了理論指導。
在采用ZigBee技術標準的物聯網中，節點不僅有自身通信需求，同時還要頻繁參與轉發其它節點的數據分組和控制分組，從而消耗自己的電池能量。嚴重情況下，節點不僅自己不能通信，還有可能造成網絡分割，導致大部分生存下來的節點之間無法通信。嚴重影響網絡的整體性能。因此，節點電池能量的有效利用從而延長網絡壽命在諸如ZigBee網絡這樣的無線傳感器網絡中是至關重要的。
1.能量有效路由協議分類
網絡中的節點，要么處于通信狀態，要么處于空閑狀態。節點正在發送數據或接收數據時，處于通信狀態;節點不進行數據收發時就處于空閑狀態，但此時也需要消耗能量。按照節點狀態的不同可以將能量有效路由協議分為兩類：節省通信狀態下能量消耗的路由協議和節省空閑狀態下能量消耗的路由協議。
節省通信狀態下能量消耗的路由選擇方案研究主要包括兩個方面：一方面，尋找源節點到目的節點總體消耗能量最少的路由。具體方法是控制節點的發送功率，使其達到保證正常傳輸數據分組的最小功率，通過降低路徑的總傳輸功率來節省節點的電池能量，從而達到降低網絡總體消耗能量的目的，如果每個節點的發送功率相同，尋找總發送功率最小的路由就成為尋一找最小跳數路由。這一類路由協議有MTPR、PARO和COMPOW等。另一方面，盡量使網絡中的節點均衡地消耗能量，要求尋找路由時盡量選擇剩余能量高的節點參與中繼轉發，同時避免使用剩余電池能量不足的節點加入路由，避免低電節點因耗盡電池能量退出網絡而造成網絡分割現象。這一類路由協議有LEAR、EDDSR、MBCR等。
節省空閑狀態下的能量消耗的路由協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整到休眠或者關機的方一式來節能能量消耗。這一類路由協議有GAF、Span等。
不管哪種能量有效路由協議都不能保證在所有的網絡場景中都是最優的，不同的情況下這些路由協議所表現出來性能是不同的，因此需要根據網絡的具體情況來選擇使用哪一種能量有效的路由協議。
2.能量有效路由選擇量度
路由協議通常使用一些傳統的度量指標來選擇路由，例如DSR、TORA、AODV等都以最小跳數為度量路由的標準，DARPA結合最小跳數和鏈路質量為選擇路由的度量標準，SRA則以消息和時延開銷為路由度量指標等等。在這些路由協議中，業務量較多或參與較多數據分組和控制分組轉發的節點容易相比網絡中其它節點過快地耗盡電池能量，可能引起網絡分割，對網絡的壽命產生負面影響。
(1)最小化每分組消耗的能量
這是一種較為直接的節省網絡能量消耗的度量方法。其基本思想是使分組所經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，此量度相當于最小跳數量度。此量度使每個分組所消耗的能量最小化但它的主要缺點是可能導致網絡中的節點能量消耗不均衡，而使部分節點比其它節點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
在這樣的網絡拓撲中，如果0-3、1-4、2-5的分組均選擇節點6為轉發節點，節點6就會因為業務量過大而過早地耗盡電池能量，這樣就無法真正達到延長節點和網絡壽命的目的。
(2)最大化網絡分割出現時刻
此量度的目標是使網絡中節點均衡消耗能量，盡可能地推遲網絡分割出現的時刻。達到此目標的基本方法是找到容易引起網絡分割的節點，盡量減少這些節點的業務量，使這些節點的壽命最大化，從而使網絡分割出現的時刻最大化。但是如果要求同時滿足低時延和高吞吐量，此量度很難被優化。
(3)最小化節點剩余能量水平差異
此量度要求網絡中節點的剩余能量盡可能保持相等，從而保證節點的壽命盡可能相等，以達到均衡網絡能量消耗、延長網絡壽命的目的。
(4)最小化每個分組的開銷
此度量旨在最大化網絡中所有節點的壽命。用
表示節點i的開銷函數，其中 假設為節點當前剩余能量，那么經過節點(
)的分組j的開銷為：
其中，n1為源節點，nk為目的節點。
此度量的目標就是使分組j的開銷cj最小化更加直觀，開銷函數
可以表示節點參與轉發分組的意愿程度，
越小表示節點意愿程度越大，如式2：
此時剩余能量越多的節點開銷越小，參與轉發分組的可能性越大;反之，剩余能量越少的節點開銷越大，參與轉發分組的可能性越小。使用這種度量標準選擇路由應盡量避開剩余能量較低的節點，從而使網絡中所有節點的壽命最大化。
(5)最小化節點最大開銷
仍然用 表示節點i的開銷函數，那么路由r的開銷Cr，為此條路由上開銷最大節點的開銷函數，此度量選擇Cr最小的那條路由，也就是選擇路徑上節點開銷最大值最小的那條路由。例如圖1所示的網絡拓撲中，0-3、1-4、2-5的分組選擇路由時將會盡量避免選擇節點6，這樣就能使網絡中的節點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點轉發分組，使網絡的壽命最大化。
3.能量均衡消耗的路由機制
能量均衡消耗的路由機制盡量讓網絡中所有節點均衡消耗能量，從而達到延長節點和網絡壽命的目的。這類路由選擇策略基于網絡中所有節點都同等重要的假設，它們的共同不足是不能保證分組的傳輸總耗能最低，而且為了避開低電節點，不同程度地增加了源節點到目的節點的路徑跳數。
(1)最小電池開銷路由
最小電池開銷路由(Minimum Battery Cost Routing，MBCR)把路徑上所有節點的剩余電池能量總和作為路由選擇的度量指標，選擇的路徑是源節點到目的節點總的剩余電池能量最多的路徑。
假一設節點ni，在某一時刻的電池剩余能量為ei，
為反映節點剩余能量的開銷函數，將它定義為：
可以看出，節點電池剩余能量與此開銷函數成反比，剩余能量越大的節點，其開銷函數就越小，它參與轉發數據分組的意愿程度就越大，此節點被選作路徑中間節點的幾率也就越高;反之，剩余能量越小的節點，其開銷函數就越大，它參與轉發數據分組的意愿程度就越小。
設源節點與目的節點之間路徑為
，其中n0是源節點，nd是目的節點，
那么路徑j的電池開銷定義為：
MBCR選擇路徑電池開銷最小的那條路徑r，即：
其中，A是源節點n0與目的節點之間所有可能路徑的集合。
如果所有節點的剩余電池能量一樣多，該方案相當于選擇一個最小跳路由。MBCR選擇總的剩余電池能量最多的那條路由，防止了節點的過度使用，在一定程度上延長了網絡壽命，剩余能量充足的節點比剩余能量匱乏的節點更多地參與數據分組的轉發，保存了低電節點的電池能量，推遲了網絡分割的時間。但是，此量度只考慮了電池開銷函數值的總和，也有可能選擇包含剩余電池能量小的節點的路徑。這樣就會更快地耗盡原本剩余電池能量已不足的節點，從而無法達到均衡全網電池能量消耗、延長網絡壽命的目的。
(2)最小最大電池開銷路由
為了彌補MBCR所存在的不足，最小最大電池開銷路由(Min-Max Battery Cost Routing，MMBCR)策略對MBCR做了適當的改進。MMBCR將以n0為源節點，以nd為目的節點的路徑
性，的電池開銷重新定義為：
其中， 是節點 在某一時刻的電池剩余能量，將節點電池開銷
仍然采用(式3)的定義。
MMBCR選擇電池開銷最小的那條路徑r，即：
其中，A是源節點與目的節點之問所有路由的集合。
MMBCR仍然把節點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銷最小的路由，而是選擇路徑上節點最大電池開銷最小的那條路由。給定源節點與目的節點之間路徑上電池能量最低的節點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點比電池能量匱乏的節點更多地參與數據分組的轉發。
4.結語
隨著物聯網技術的飛速發展，基于能量有效的物聯網信息傳輸路由協議也得到了不斷的優化。目前，在ZigBee網絡路由協議研究中，MMBCR在選擇路由時避開了網絡中剩余能量最少的節點，從而達到了全網的能量均衡消耗，延長了網絡的壽命。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，根據傳輸功率大小適時調整網絡路由將成為提高ZigBee網絡能量使用效率的發展方向。
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