工业控制计算机期刊论文范文

　　在低速率无线个域网（LowRateWirelessPersonalAreaNetwork，LRWPAN）[1-2]中，设备的短距离、低功耗、低成本以及需要在网络中大量部署等要求，使得节点存储路由表和采用64比特的地址传输不太适合该网络[3]。因此，针对低速无线个域网提出一种有效的地址分配算法，降低能耗和组网时延成为当前研究的热点[4]。

　　摘要：针对IEEE802.15.5标准中低速率无线个域网（LRWPAN）Mesh的地址分配算法在地址分配通信开销和时间方面存在冗余的问题，提出一种高效低时延的地址分配（HLAA）算法。该算法通过使用入网申请消息替代专门的地址申请消息和删除地址分配消息中的冗余字段，减少了通信开销并降低了组网时延。仿真结果表明：与现有的低速率无线个域网地址分配算法相比，HLAA算法的通信开销减小了22.15%，组网时延则降低了7.68%。

　　关键词：IEEE802.15.5标准,低速无线个域网,地址分配算法,高效,低时延

　　0引言

　　Mohammed对LRWPANMesh头部存在的冗余信息进行压缩，减少了组网开销，但未考虑定时等待的时延问题[5]。ZigBee的分布式地址分配（DistributedAddressAssignmentMechanism，DAAM）算法[6]和适配层的分层路由算法（HierarchicalRouting），（即HiLow算法[7]）在减小地址域长度的同时，其相关的路由机制可利用地址特性在无需建立路由表和发送控制开销的情况下计算下一跳地址，但DAAM算法和HiLow地址分配算法都需要依靠预设网络拓扑参数才能计算出节点分配的地址，而预设值在不能完全掌握网络拓扑信息的情况下难以确定，使得地址分配过程中节点由于入网申请失败而需要重新发送控制消息，增加了地址分配的时延和开销。文献[8]提出当父节点地址空间不足时通知网络协调器，由网络协调器发起地址空间均衡操作。但网络协调器需要掌握各个节点的负载情况，然后对地址空间进行重新分配使组网开销和时延增加。基于借地址机制的地址分配算法[8]通过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组网的总开销和总时延，并且打乱了ZigBee网络中特有的拓扑结构，破坏了“地址位置”的对应关系。Giri等[10]针对路由节点作为父节点时地址空间不够的问题提出了一种通过增大深度参数从而使路由节点地址空间增大的方案，这种“以深度换取宽度”的方法能够改善路由节点地址空间不足的状况，但网络深度变小，且地址重配置操作使开销和耗时增加。

　　IEEE802.15.5标准LRWPANMesh地址分配算法[11]主要通过收集网内节点的信息自适应地分配短地址，提高了地址空间的利用率和入网成功率；但协调器需要收齐网络节点地址申请消息才能进行地址分配，势必会增加组网时间和通信开销。本文在其地址分配算法基础上，结合文献[12]中地址空间分段扩展机制，提出一种高效低时延的LRWPANMesh地址分配算法——HLAA（HighefficiencyandLowdelayAddressAssignment）算法，以解决原地址分配算法在组网耗时和通信开销上存在的冗余问题。

　　第1期任智等：高效低时延的LRWPANMesh地址分配算法计算机应用第34卷1LRWPANMesh地址分配算法

　　IEEE802.15.5标准LRWPANMesh地址分配算法主要是通过分配16比特的短地址到网络中的每个节点来代替64比特的媒体访问控制（MediaAccessControl，MAC）地址进行通信，减少通信过程中地址域的开销，通过收集网内节点的信息自适应地分配短地址，如图1所示。

　　1.1节点类型及功能

　　LRWPANMesh地址分配算法中共有三种节点类型，其功能如表1所示。

　　1.2LRWPANMesh地址分配算法操作步骤

　　第1步协调器节点广播信标帧，通知周围节点，并设置定时器，定时等待周围节点发送入网申请消息。

　　第2步未加入网络的节点通过主动扫描搜集邻居节点信息，选择深度较小的邻居节点发送加入请求消息（其中包括有自己的设备类型等有用信息）。

　　第3步协调器或路由节点收到其他节点的加入请求消息后，对申请加入网络的设备类型进行判断，若为路由节点，则进行第4步；否则，进行第5步。

　　第4步父节点接受子路由节点的入网申请，子路由节点设置定时器，子路由节点广播信标帧，接受周围节点的入网申请。

　　第5步若路由节点等待过程中没有其他设备申请加入，则统计本节点的地址申请数，并向父节点发送地址分配申请。

　　第6步协调器节点收齐子节点的入网申请后，自上而下地进行地址分配操作。

　　现有的IEEE802.15.5标准LRWPAN部分规定的地址分配方法存在以下2个问题：

　　1）终端节点要发送专门的地址申请消息，而实际上可以通过入网申请消息来表示申请地址的含义，因此该地址申请操作是冗余的。

　　2）父节点发送给子节点的地址分配消息中的结束地址信息是冗余信息，可由地址申请消息和起始地址计算。

　　2HLAA算法

　　2.1HLAA算法的新机制

　　2.1.1取消终端节点的地址分配申请操作

　　入网申请消息中包含申请加入网络的节点的设备类型，在原LRWPANMesh地址分配算法中，路由节点须收齐所有子节点地址申请消息后再向父节点发送地址分配请求，而终端节点由于没有路由功能，所有终端的地址分配请求消息中的请求个数必为1，即终端节点的地址分配请求消息相同，因此终端节点可以使用同一个消息进行入网申请和地址申请从而减少组网开销。2.1.2删除地址分配消息中的结束地址字段

　　在LRWPANMesh地址分配算法中，地址分配消息包含起始地址和结束地址信息。而结束地址可以通过起始地址和地址申请消息中的地址申请数计算得出，因此无需将结束地址信息装入地址分配消息从而减少冗余字段。

　　2.2HLAA算法操作步骤

　　第1步协调器节点广播信标帧，周围节点收到信标帧后，发送入网申请消息，若子节点中含有路由节点，则进行第2步；否则，进行第6步。

　　第2步路由节点设置定时器，等待其他节点的入网申请，并对申请入网的节点类型进行判断：若为路由节点，则进行第3步；若为终端节点，则进行第4步。

　　第3步父节点接受子路由节点的入网申请，并为子路由节点设置定时器，子路由节点广播信标帧，接受周围节点的入网申请。

　　第4步路由节点等待计时器的值清零，并把子节点的地址申请数加1。

　　第5步若路由节点等待过程中没有其他设备申请加入，则本节点取消定时器，并向父节点发送地址申请。

　　第6步协调器节点收齐子节点的入网申请后，自上而下地进行地址分配操作。

　　2.3理论分析

　　2.3.1取消地址申请操作不会影响地址分配

　　与LRWPANMesh地址分配算法相比，HLAA算法增加了判断机制，即当路由节点收到设备类型为终端节点的入网申请消息时，路由节点默认为收到了终端节点发送的地址申请消息。本操作仅就终端节点定时等待造成的时延进行优化，不会影响地址分配过程。

　　两种算法单次地址申请操作的地址分配成功率计算如式（1）所示：

　　4结语

　　IEEE802.15.5标准LRWPANMesh部分的地址分配算法通过收集网络拓扑信息，让大部分节点入网的同时也增加了一定的时间和开销上的冗余。本文提出的HLAA算法通过去除终端节点的等待时延，并去除冗余控制消息以及简化分组中信息，在保证入网成功率的前提下，降低了组网的通信耗时和通信开销。理论分析和仿真结果验证了HLAA算法的有效性。

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