0 引言

　　為了滿足低功耗、低成本的需求，短距離通信ZigBee技術應運而生，它是一種基于802.15.4的技術提案[1][2]。ZigBee網絡的不同節點通過網絡協調器來完成各個節點的協同工作[3]。ZigBee中的分布式地址分配機制(Distributed Address Assignment Mechanism，DAAM)算法具有簡單以及包含“地址-位置”關系等優點。但是隨著網絡節點的增加，DAAM算法就會顯示出它的弱點，這時有些節點因為分配不到地址無法加入網絡而成為孤立節點[4]。

　　為了減少網絡中的孤立節點，目前已開展很多該方面的研究。由于節點密度以及網絡深度等原因將會造成網絡地址的不足，但是此時有些路由節點仍有未使用的地址，這時可以向這些有剩余地址的路由節點借用地址來達到減少孤立節點數量的目的，這一思想在文獻[5-6]有具體體現。文獻[7-9]提出了進行地址擴展的思想。文獻[10]提出了一種基于最小跳數的按需分配的地址分配算法。該方法首先由sink節點以洪泛方式向全網廣播最小跳數的構建消息，從而使每一個網絡節點都有到sink節點的最小跳數，然后根據已構建的最小跳數樹獲取地址。另外文獻[11]提出了一種動態參數的分配算法，該方法可以減少孤立節點數量，但是增加了網絡開銷，并且擴展性不強，當網絡節點很多時，增加了組網時間。

　　本文提出了一種基于動態參數的按需可擴展地址分配算法(AP-SAAM)，同時給出了改進的路由算法，使其兼容cluster-tree路由協議。

　　本文的貢獻主要如下：

　　(1)提出了一種基于動態參數的按需可擴展地址分配算法，可以根據已知網絡參數來決定擴展的地址大小，同時兼容原DAAM算法。

　　(2)可以根據網絡狀態進行參數調整以及擴展次數，具有很強的擴展性。

　　(3)給出了改進的路由算法，且與cluster-tree路由協議兼容。

1 系統模型

　　本文對地址的擴展思想為：首先計算出DAAM定義的地址空間，然后得出可以表示這些地址空間的最小比特位數a0，然后把剩余的地址分成Rm段，如果不進行地址擴展，就使用第一段地址空間；如果進行一次擴展，則使用第二段地址空間；以此類推，直到網絡地址擴展完，每一段地址所占的比特位數如圖1所示。

　　其中，ai表示各個地址塊所占用的比特位數。

　　具體地址段的分配方式如下：

　　根據已知條件可以得出DAAM分配的最大空間Am，可用式(1)計算：

　　Am=Cskip(0)×Rm+Cm-Rm(1)

　　又因為

　　為了考慮一般性，我們只考慮Rm>1的情況，此時有：

　　整理得：

　　所以得出可表示Am的最小比特位數a：

　　a=min{a|2a≥Am}(5)

　　進而得出每一塊地址段所占的比特位數為：

　　其中i表示地址塊數，即擴展的次數。

　　假設O、R分別代表普通設備和路由設備，N1，N2分別表示沒有獲得網絡地址的普通節點以及路由節點的個數，Li表示第i個網絡設備的深度，Oam表示地址為a的普通節點的深為m，Rbm表示地址為b的路由節點的深度為n，則新的網絡參數為：

　　然后進行第一次地址擴展，這時協調器只會給個路由節點分配擴展后的地址塊，如果第一次擴展后仍有孤立節點，然后再進行第二次地址擴展，以此推論，直至整個地址空間用完，分配方法如式（8）：

　　且Nd≤，其中Achildren為擴展地址，i表示進行地址擴展的次數，Nd表示第i次擴展時路由節點數。

　　得到地址塊的路由節點可以再次進行地址分配，分配方式仍按照原DAAM算法，參數為：。其可分配的地址大小為，其中i表示擴展次數，且1≤i≤Rm。

2 基于動態參數的按需可擴展地址分配算法

　　2.1 AP-SAAM算法步驟

　　(1)DAAM算法：

　　初始化：網絡協調器把自己的地址設置為0，網絡參數為Lm、Rm和Cm。

　　地址請求：節點向其鄰居表中未被標記的潛在父節點發出入網請求(當有多個時隨機選擇)；如果未收到答復，則依次向其他未標記的節點發出入網請求，如果仍未得到回復，則向協調器發送第一次地址擴展請求，同時轉向步驟(3)，如果仍沒有獲得地址，發送第二次地址擴展請求，以此類推。

　　地址分配：地址為Aparent的路由節點收到入網請求時，首先查詢自己的地址空間，如果有地址，則按照原DAAM算法進行分配。

　　(2)地址擴展：

　　網絡協調器收到借用地址請求后，根據式(6)對網絡進行地址塊的劃分；然后按照式(7)計算。

　　(3)擴展地址分配：

　　此時網絡協調器進行第一次地址擴展，根據式(8)對申請的個路由節點進行地址的分配（如有剩余，留作下次使用）。網絡協調器需要維護這些路由節點的路由表，得到地址塊的路由節點向其潛在父節點發出作為其子節點的請求，并上報自己的網絡地址，同時標記自己的網絡深度為其父節點深度加1，用Lj表示，當此路由節點再次收到節點的入網請求時，則按照式(9)進行地址的分配：

　　其中，Aparent為父節點地址，Li為申請加入的節點深度，且滿足Li-Lj≤。

　　2.2 路由算法改進

　　經過擴展地址分配后，可能的網絡地址結構如圖2所示，其中A、B為獲得擴展地址的節點區域，C為按照原DAAM算法得到地址的節點區域。對此，源節點以及目的節點的地址類型就會有四種情況，如表1所示。

　　假設源節點網絡地址為A，深度為d；目的節點網絡地址為D。首先判斷式(10)、(11)是否成立

　　如果式(10)和式(11)都成立，則執行步驟1；如果式(10)成立，式(11)不成立，則執行步驟2；如果式(10)不成立，式(11)成立，則執行步驟3；如果式(10)不成立，式(11)不成立，則執行步驟4。

　　步驟1：首先判斷邏輯表達式(12)是否成立，其中參數為Lm、Rm、Cm。

　　A<D<A+Cskip(d-1)(12)

　　如果不成立，則交給A的父節點；如果成立，且D是A的一跳鄰居節點，則修改下一跳地址Ne=D，若不是一跳鄰居節點，則通過式(13)計算下一跳地址，其中參數為Lm、Rm、Cm。

　　其中0≤d≤Lm。

　　步驟2：首先判斷邏輯表達式(14)是否成立：

　　其中Achildren為節點A的子節點。

　　如果成立，則表示目的節點屬于節點A的子節點的擴展地址域，然后修改下一跳地址Ne=Achildren；如果不成立，則修改下一跳地址為A的父節點即：Ne=Aparpent。

　　步驟3：修改下一跳地址為A的父節點即：Ne=Aparpent。

　　步驟4：首先判斷邏輯表達式(12)是否成立，其中參數為。

　　如果不成立，則交給A的父節點；如果成立，若D是A的一跳鄰居節點，則修改下一跳地址Ne=D，若不是一跳鄰居節點，則通過式(13)計算下一跳地址，其中參數為，且0≤d≤。

　　綜上所述，修改的路由協議能夠滿足地址分配算法。

3 算法仿真

　　把DAAM、EDAA-BA[5]、RBAC[9]作為比較對象，通過OPNET仿真來觀察它們在性能方面的差異。其中網絡參數分別設為Cm=4，Rm=2，Lm=15。

　　圖3表示的是平均地址分配成功率與網絡節點個數之間的關系。從圖中可以看出，EDAA-BA、RBAC以及AP-SAAM的分配成功率要高于DAAM，且AP-SAAM最高，特別是隨著節點數的增加，AP-SAAM的性能更優，這是因為AP-SAAM能夠根據網絡狀況實施地址擴展，從而能夠分配更多的地址，進而提高節點入網的概率。

　　圖4表示的是平均分配耗時與網絡節點個數之間的關系，有圖可知，EDAA-BA、RBAC以及AP-SAAM都比DAAM平均耗時大，其中EDAA-BA耗時最大，這是因為其不斷進行借用地址花費了大量的時間，這一現象隨著節點的增加、網絡結構的復雜變得更加明顯，RBAC和AP-SAAM的平均耗時相當。

　　圖5表示的是平均路由跳數與網絡節點個數之間的關系，其中路由跳數表示節點到其潛在鄰居節點的跳數。從圖中可以看出RBAC算法和AP-SAAM算法相當，而EDAA-BA要優于其它三種算法，這是因為EDAA-BA算法在進行借用地址時專門考慮了迂回問題。

4 結束語

　　本文提出了一種基于動態參數的按需可擴展地址分配算法，當地址充足時，使用DAAM算法；當出現地址不足時，對剩余地址空間進行擴展，根據已知參數對剩余地址塊靈活的分配，同時根據網絡狀況進行一次或者多次擴展，從而很好地解決了孤立節點問題。

參考文獻

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