在低速率無線個域網(wǎng)（LowRateWirelessPersonalAreaNetwork，LRWPAN）[1-2]中，設(shè)備的短距離、低功耗、低成本以及需要在網(wǎng)絡(luò)中大量部署等要求，使得節(jié)點存儲路由表和采用64比特的地址傳輸不太適合該網(wǎng)絡(luò)[3]。因此，針對低速無線個域網(wǎng)提出一種有效的地址分配算法，降低能耗和組網(wǎng)時延成為當前研究的熱點[4]。

　　摘要：針對IEEE802.15.5標準中低速率無線個域網(wǎng)（LRWPAN）Mesh的地址分配算法在地址分配通信開銷和時間方面存在冗余的問題，提出一種高效低時延的地址分配（HLAA）算法。該算法通過使用入網(wǎng)申請消息替代專門的地址申請消息和刪除地址分配消息中的冗余字段，減少了通信開銷并降低了組網(wǎng)時延。仿真結(jié)果表明：與現(xiàn)有的低速率無線個域網(wǎng)地址分配算法相比，HLAA算法的通信開銷減小了22.15%，組網(wǎng)時延則降低了7.68%。

　　關(guān)鍵詞：IEEE802.15.5標準,低速無線個域網(wǎng),地址分配算法,高效,低時延

　　0引言

　　Mohammed對LRWPANMesh頭部存在的冗余信息進行壓縮，減少了組網(wǎng)開銷，但未考慮定時等待的時延問題[5]。ZigBee的分布式地址分配（DistributedAddressAssignmentMechanism，DAAM）算法[6]和適配層的分層路由算法（HierarchicalRouting），（即HiLow算法[7]）在減小地址域長度的同時，其相關(guān)的路由機制可利用地址特性在無需建立路由表和發(fā)送控制開銷的情況下計算下一跳地址，但DAAM算法和HiLow地址分配算法都需要依靠預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)才能計算出節(jié)點分配的地址，而預(yù)設(shè)值在不能完全掌握網(wǎng)絡(luò)拓撲信息的情況下難以確定，使得地址分配過程中節(jié)點由于入網(wǎng)申請失敗而需要重新發(fā)送控制消息，增加了地址分配的時延和開銷。文獻[8]提出當父節(jié)點地址空間不足時通知網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起地址空間均衡操作。但網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要掌握各個節(jié)點的負載情況，然后對地址空間進行重新分配使組網(wǎng)開銷和時延增加。基于借地址機制的地址分配算法[8]通過借地址的方式提高地址分配成功率，但是借地址操作增加了組網(wǎng)的總開銷和總時延，并且打亂了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中特有的拓撲結(jié)構(gòu)，破壞了“地址位置”的對應(yīng)關(guān)系。Giri等[10]針對路由節(jié)點作為父節(jié)點時地址空間不夠的問題提出了一種通過增大深度參數(shù)從而使路由節(jié)點地址空間增大的方案，這種“以深度換取寬度”的方法能夠改善路由節(jié)點地址空間不足的狀況，但網(wǎng)絡(luò)深度變小，且地址重配置操作使開銷和耗時增加。

　　IEEE802.15.5標準LRWPANMesh地址分配算法[11]主要通過收集網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的信息自適應(yīng)地分配短地址，提高了地址空間的利用率和入網(wǎng)成功率；但協(xié)調(diào)器需要收齊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址申請消息才能進行地址分配，勢必會增加組網(wǎng)時間和通信開銷。本文在其地址分配算法基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻[12]中地址空間分段擴展機制，提出一種高效低時延的LRWPANMesh地址分配算法——HLAA（HighefficiencyandLowdelayAddressAssignment）算法，以解決原地址分配算法在組網(wǎng)耗時和通信開銷上存在的冗余問題。

　　第1期任智等：高效低時延的LRWPANMesh地址分配算法計算機應(yīng)用第34卷1LRWPANMesh地址分配算法

　　IEEE802.15.5標準LRWPANMesh地址分配算法主要是通過分配16比特的短地址到網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點來代替64比特的媒體訪問控制（MediaAccessControl，MAC）地址進行通信，減少通信過程中地址域的開銷，通過收集網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的信息自適應(yīng)地分配短地址，如圖1所示。

　　1.1節(jié)點類型及功能

　　LRWPANMesh地址分配算法中共有三種節(jié)點類型，其功能如表1所示。

　　1.2LRWPANMesh地址分配算法操作步驟

　　第1步協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播信標幀，通知周圍節(jié)點，并設(shè)置定時器，定時等待周圍節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)申請消息。

　　第2步未加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通過主動掃描搜集鄰居節(jié)點信息，選擇深度較小的鄰居節(jié)點發(fā)送加入請求消息（其中包括有自己的設(shè)備類型等有用信息）。

　　第3步協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點收到其他節(jié)點的加入請求消息后，對申請加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型進行判斷，若為路由節(jié)點，則進行第4步；否則，進行第5步。

　　第4步父節(jié)點接受子路由節(jié)點的入網(wǎng)申請，子路由節(jié)點設(shè)置定時器，子路由節(jié)點廣播信標幀，接受周圍節(jié)點的入網(wǎng)申請。

　　第5步若路由節(jié)點等待過程中沒有其他設(shè)備申請加入，則統(tǒng)計本節(jié)點的地址申請數(shù)，并向父節(jié)點發(fā)送地址分配申請。

　　第6步協(xié)調(diào)器節(jié)點收齊子節(jié)點的入網(wǎng)申請后，自上而下地進行地址分配操作。

　　現(xiàn)有的IEEE802.15.5標準LRWPAN部分規(guī)定的地址分配方法存在以下2個問題：

　　1）終端節(jié)點要發(fā)送專門的地址申請消息，而實際上可以通過入網(wǎng)申請消息來表示申請地址的含義，因此該地址申請操作是冗余的。

　　2）父節(jié)點發(fā)送給子節(jié)點的地址分配消息中的結(jié)束地址信息是冗余信息，可由地址申請消息和起始地址計算。

　　2HLAA算法

　　2.1HLAA算法的新機制

　　2.1.1取消終端節(jié)點的地址分配申請操作

　　入網(wǎng)申請消息中包含申請加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的設(shè)備類型，在原LRWPANMesh地址分配算法中，路由節(jié)點須收齊所有子節(jié)點地址申請消息后再向父節(jié)點發(fā)送地址分配請求，而終端節(jié)點由于沒有路由功能，所有終端的地址分配請求消息中的請求個數(shù)必為1，即終端節(jié)點的地址分配請求消息相同，因此終端節(jié)點可以使用同一個消息進行入網(wǎng)申請和地址申請從而減少組網(wǎng)開銷。2.1.2刪除地址分配消息中的結(jié)束地址字段

　　在LRWPANMesh地址分配算法中，地址分配消息包含起始地址和結(jié)束地址信息。而結(jié)束地址可以通過起始地址和地址申請消息中的地址申請數(shù)計算得出，因此無需將結(jié)束地址信息裝入地址分配消息從而減少冗余字段。

　　2.2HLAA算法操作步驟

　　第1步協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播信標幀，周圍節(jié)點收到信標幀后，發(fā)送入網(wǎng)申請消息，若子節(jié)點中含有路由節(jié)點，則進行第2步；否則，進行第6步。

　　第2步路由節(jié)點設(shè)置定時器，等待其他節(jié)點的入網(wǎng)申請，并對申請入網(wǎng)的節(jié)點類型進行判斷：若為路由節(jié)點，則進行第3步；若為終端節(jié)點，則進行第4步。

　　第3步父節(jié)點接受子路由節(jié)點的入網(wǎng)申請，并為子路由節(jié)點設(shè)置定時器，子路由節(jié)點廣播信標幀，接受周圍節(jié)點的入網(wǎng)申請。

　　第4步路由節(jié)點等待計時器的值清零，并把子節(jié)點的地址申請數(shù)加1。

　　第5步若路由節(jié)點等待過程中沒有其他設(shè)備申請加入，則本節(jié)點取消定時器，并向父節(jié)點發(fā)送地址申請。

　　第6步協(xié)調(diào)器節(jié)點收齊子節(jié)點的入網(wǎng)申請后，自上而下地進行地址分配操作。

　　2.3理論分析

　　2.3.1取消地址申請操作不會影響地址分配

　　與LRWPANMesh地址分配算法相比，HLAA算法增加了判斷機制，即當路由節(jié)點收到設(shè)備類型為終端節(jié)點的入網(wǎng)申請消息時，路由節(jié)點默認為收到了終端節(jié)點發(fā)送的地址申請消息。本操作僅就終端節(jié)點定時等待造成的時延進行優(yōu)化，不會影響地址分配過程。

　　兩種算法單次地址申請操作的地址分配成功率計算如式（1）所示：

　　4結(jié)語

　　IEEE802.15.5標準LRWPANMesh部分的地址分配算法通過收集網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，讓大部分節(jié)點入網(wǎng)的同時也增加了一定的時間和開銷上的冗余。本文提出的HLAA算法通過去除終端節(jié)點的等待時延，并去除冗余控制消息以及簡化分組中信息，在保證入網(wǎng)成功率的前提下，降低了組網(wǎng)的通信耗時和通信開銷。理論分析和仿真結(jié)果驗證了HLAA算法的有效性。

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