ZigBee网络拓扑结构

无线传感器网络(WSN)是一种具有感测、计算和传输能力的小型传感器节点的集合。由于单个传感器节点的功能有限,特别是能量的存储和数据的存储,所以需要制定良好的网络拓扑结构和路由协议。文中重点研究基于IEEE 802.15.4标准的Zig Bee无线传感器网络,提出基于最小生成树(MST)的高效聚类拓扑结构MSCT,最终的目的在于以最小的成本构建一个网络拓扑结构。文中的拓扑结构还考虑了室内环境,提出了处理墙壁和障碍物导致的路径损耗和信号衰减的度量,并计算节点之间的链接的权重。最后,通过能量的损耗和网络的寿命来论证文中提出的MSCT拓扑结构比Cluster-Tree拓扑结构更具有优势性。

三种zigbee网络结构各有优势，zigbee网络目前有星型、树型和网状网三种构架，可以根据实际项目需要来选择合适的zigbee网络结构。

1、星型拓扑

是最简单的一种拓扑形式，他包含一个Co-ordinator(协调者) 节点和一系列的 End Device(终端)节点。每一个End Device 节点只能和 Co-ordinator 节点进行通讯。如果需要在两个 End Device 节点之间进行通讯必须通过Co-ordinator 节点进行信息的转发。

2、树形拓扑

树形拓扑包括一个Co-ordinator(协调者)以及一系列的 Router(路由器) 和 End Device(终端)节点。Co-ordinator 连接一系列的 Router 和 End Device， 他的子节点的 Router也可以连接一系列的 Router 和End Device. 这样可以重复多个层级。树形拓扑的结构如下图所示：

需要注意的是：

Co-ordinator 和 Router 节点可以包含自己的子节点。

End Device 不能有自己的子节点。

有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点

有同一个祖父节点的节点之间称为堂兄弟节点

树形拓扑中的通讯规则：

每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通讯。

如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。

这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个的路由过程对于应用层是完全透明的。

网络的构建不同于前文描述的Cluster-Tree结构。它是基于最小生成树的。假设图G=(V,E)表示静态传感器网络的拓扑,其中V表示传感器节点,E表示两个连接的节点之间的链路权重。理论上,传感器网络的链路权重表示两个节点之间的欧几里得距离,但是如前面部分所解释的,必须考虑由于室内环境的障碍造成的路径损耗和信号衰减。使用基于“Kruskal”的算法[6-7](算法1,如下所示)对权重进行排序。根据该算法,能够获得通信传输成本最小的拓扑结构。

3、网状拓扑

Mesh拓扑(网状拓扑) 包含一个Co-ordinator和一系列的Router 和End Device。这种网络拓扑形式和树形拓扑相同;请参考上面所提到的树形网络拓扑。但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。 网状拓扑的示意图如下所示：

通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。 需要注意的是，以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行任何的参与。

MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信;该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络;网络还具备自组织、自愈功能;

随着无线传感器网络的快速发展,无线技术大量地应用在传输测绘数据的基站当中[1]。无线传感器网络在实际的应用当中需要大面积的部署,一旦部署完成,再次更改部署就相对的比较困难,这就是为什么需要高效的使用网络中每个节点的有限资源。无线传感器的应用领域有很多种,如温湿度监控、家庭自动化、救援监控等。绝大部分的应用都需要大范围无线传输,需要使用IEEE802.11b这类标准支撑。相关研究表明,蓝牙、WLAN[2]等传统的无线标准已经不适合家庭自动化和工业室内检测这种类型场景的应用,这种应用场景通常选择IEEE802.15.4标准。本文重点研究在室内墙壁干扰的情况下,提出基于最小生成树(MST)高效聚类拓扑结构MSCT。1Cluster-Tree网络拓扑Cluster-Tree是基于IEEE802.15.4标准的网络拓扑结构。在无线传感器网络中,能源的消耗是必须要考虑的重要部分,本文首先将研究Cluster-Tree网络拓扑结构在能源消耗方面的效率[3]。Cluster-Tree网络拓扑结构划分为父级和子级两个层级关系,如图1所示。在这种拓扑结构中,每一个簇节点通过本级头节点进行通信,每一层的头节点由PAN协调器进行控制[4],拓扑结构通过关联请求和关联响应这种方式进行构建。为了实现ZigBee网络类型的最佳控制效果,每一个父节点的子节点数量和延伸深度要在一定的范围之内,这里的深度指的是PAN协调器到节点之间的距离。例如:PAN协调器的节点作为级别0,PAN协调器的子节点作为级别1

关键词：数据传输终端