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Mesh 无线传感器网络地址借用策略#
朱艺华1，孙聪1，袁利永2*
（1. 浙江工业大学计算机科学与技术学院，杭州 310023；
2. 浙江师范大学数理与信息工程学院，金华 321004） 5
摘要：IEEE 标准为基于 IEEE 标准的无线传感器网络提供了 mesh 功能。
通过为节点分配连续逻辑地址块， 不需要路由发现和路由表，这可以降低时延和能
耗，节省存储空间。在 mesh 网络形成之后，节点动态加入和离开网络会导致一些欲加入网
络的节点因邻居节点地址不足而无法加入网络的问题。本文提出了地址借用策略 BAM 以解10
决这一问题。仿真表明：对于节点加入网络成功率这一指标，BAM 比 标准的地址
分配方案更优。
关键词：无线 Mesh 网络；；地址分配；地址借用
中图分类号：TP393
15
A Borrowing Address Mechanism for Mesh Wireless Sensor
networks
ZHU Yi-hua
1
, SUN Cong
1
, YUAN Liyong
2
(1. School of Computer Sscience and Technology, Zhejiang University of Technology,Hangzhou
310023; 20
2. Colleage of Mathematics,Physics and Information Engineering, Jinhua 321004)
Abstract: IEEE standard provides mesh ability for IEEE based wireless sensor
network. By assigning a block of consecutive logical addresses to a node, no route discovery and
routing table is needed in IEEE standard, thus reducing delay, energy consumption, and
storage space. After a mesh network is formed, nodes may join and leave the mesh network 25
dynamically, which results in the problem that some nodes are unable to join the network due to
shortage of available addresses in the neighboring nodes. To solve this problem, we present the
Borrowing Address Mechanism (BAM). Simulations show that, the proposed BAM outperforms
the address assignment scheme introduced in IEEE standard in terms of ratio of
successful joinning the network. 30
Key words: mesh network; IEEE ; address assignment; address borrowing
0 引言
无线传感器网络以其低功耗，低成本，分布式和自组织等特点带来了信息感知的一场变
革[1]。它具有不需要固定的网络支持，可以快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事，35
工业，交通等许多领域[2]。目前，无线传感器网络大多基于 IEEE 标准，如 ZigBee
协议[3]采用 IEEE 作为其 MAC 层和物理层标准。然而，无线传感器网络设备具有低
功耗、低成本等特点，其通信距离、计算能力和缓存空间等都受到较大限制。
我们注意到，在无线传感器网络中，节点之间因通信功率低而导致其链路时断时续，使
得数据包难以可靠地传递到目的节点。可喜的是，mesh 组网技术支持可靠数据传递[4]，这40
是因为在 mesh 网络中，一个节点与另一节点的通信路径往往不止一条，使得在一条链路失
效时，可以选择另一条链路传递数据包。IEEE 标准提供了低速率和高速率两种 mesh
组网技术[5-6]。其中，低速率 mesh 网络建立在 IEEE 标准的 WPAN (Wireless Personal
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Area Network)之上。本文仅对低速率 mesh 网络进行研究。
IEEE 标准采用了一个分布式地址分配策略[7]，但是这一策略存在一个明显的缺45
点，即节点预留地址不足，无法给新加入节点分配地址的问题。本文提出了一个地址借用策
略，可以向网络中存在有剩余地址的节点借用地址，提高节点加入网络的成功率。
1 IEEE 标准的地址分配策略及其不足之处
Mesh 网络始于一颗由节点组成的树（第一个节点作为根节点），在树建成之后，IEEE 50
标准的地址分配策略由自底向上的地址需求汇报过程和自上而下的地址块分配过
程组成[8]。需求汇报过程从叶子节点开始，叶子节点向其父节点发送一个汇报帧，它包含两
个域—子孙节点的个数 ND（Number of Descendants）和需要预留的地址数 NRA (Number of
Requested Addresses)。一个树枝节点在收到所有子节点的汇报帧之后，形成一个新的汇报
帧，其 ND = NDsum+1 且 NRA = NRAsum + NRA1，其中，NDsum等于所有子节点汇报帧中的55
ND 值之和，NRAsum是所有子节点汇报帧中的 NRA 值之和，NRA1 是树枝节点自身所需要
预留的地址数。当树根节点收到了所有子节点的汇报帧之后，在所需的地址总数小于可用地
址总数的情况下，根节点根据需求开始分配地址。根节点为每一个分支分配一段连续的地址
空间，其中每个地址是 16 位短逻辑地址。
以下以图 1 为例说明 IEEE mesh 网络地址分配过程。在图 1(a)中，节点 A、B、…、60
H 组成了树根在节点 A 的一颗树，B、D、E、G、H 是树叶节点，C、F 是树枝节点。各个
节点旁边方括号“[a, b |c, d]”的含义为：a —子孙节点总数，即 NDsum；b —子孙节点申报
的地址总数，即 NRAsum；c —本节点预留的地址数；d — 本节点向父节点发送的汇报帧中
要求预留的地址数，d = b +c +1。在图 1(a)中，节点 G 对应的“[0,0|2,3]”表示：G 没有子节
点（即 G 本身是树叶节点）且 G 预留 2 个地址以备后用，它向其父节点 F 申报 3 个地址（其65
中 1 个地址自己使用）；节点 F 对应的“[2,5|3,9]”表示，F 有俩子孙节点，子孙节点共需
要 5 个地址，且 F 自己预留 3 个地址以备后用，它向其父节点 C 申报 9 个地址（包括 1 个
自己使用的地址、自己预留 3 个地址和子孙节点共需要 5 个地址）；其余类推。
在所有地址汇报帧到达根节点 A 之后，分配地址的结果如图 1(b)所示，其中，节点旁
边大括号“{a1:a2 / a1:a3}”的含义为：本节点的地址为 a1；分配给本节点及其子孙节点的70
连续地址块为 a1:a3（即所有地址为 a1，a1+1，a1+2，…，a3）；本节点使用的地址块为
a1:a2。例如，在图 1(b)中，节点 C 对应的“{5:10/5:21}”表示：节点 C 的地址为 5，它可用
的其它地址范围（即预留地址）为 6:10，节点 C 及其子孙所用的地址范围为 5:21。
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A
B C
F
G
E
D
H [0,0|1,2]
[2,5|3,9][0,0|1,2]
[4,11|5,17]
[0,0|2,3]
[0,0|3,4] [0,0|1,2]
75
(a)地址汇报过程
(a)Process of address report
A
B C
F
G
E
D
H {20:21/20:21}
{13:16/13:21}{11:12/11:12}
{5:10/5:21}
{17:19/17:19}
{1:4/1:4} {22:24/22:24}
(b) 地址分配结果 80
(b) Results of address assignment
图 1 形成 mesh 树和地址分配
Tree Formation and address assignment
85
上述地址分配方法具有一个明显的优点：对于任意给定一个地址，每个节点可以清楚知
道该地址是否在其自身及其子孙的地址块中。这样，节点不需要配置路由表就可以轻易转发
数据包。这种方法克服了传统网络中节点需要存储和维护路由表所带来的内存、时延、交换
控制信令及其它开销。但是，它存在着诸多不足，主要表现在：虽然节点在报告自己所需要
的地址时，会预留一些地址将来使用，但困难在于很难估计未来有多少节点以这个节点的子90
节点身份加入到 mesh 网络。因此，地址预留不足这一现象是难以避免的。从而，有必要对
这一问题进行研究。本文的主要贡献和创新之处在于：
1）提出地址借用策略 BAM(Borrowing Address Mechanism)，以此来解决新节点加入网
络时地址不够分配的问题；
2）BAM 支持地址回收操作，在节点离开网络时，将地址收回，以提高地址的利用率； 95
3）给 mesh 节点的 Hello 帧增加了剩余地址长度这一字段，代理节点可以直接向拥有剩
余地址的邻居借用地址，从而不需要广播借用请求，减小了代理节点向邻居节点借用地址过
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程的能耗；
4）设计了一个基于地址借用策略的路由算法。
100
2 相关研究
ZigBee 和 地址分配策略会造成孤立节点问题[9]，即网络中某些节点地址
用尽，而某些节点地址仍然很多，造成节点加入网络失败的现象。有不少文献对基于 ZigBee
簇树网络的孤立节点问题进行了研究[10]。文献[11-13]提出了一种向网络中地址有剩余的节
点借用地址的方案，在当前节点收到新节点加入请求后，如果自己没有多余的地址分配给新105
节点，就向网络中其它节点借用地址。该策略在一定程度上解决了孤立节点的问题，但是借
地址的方案破坏了 ZigBee 簇树块地址结构，无法根据地址块的信息判断节点之间的父子关
系，从而影响了路由性能。因此需要设计一个可行的路由方案来解决这一问题。此外，节点
是向邻居节点广播地址借用请求帧，当邻居节点很多时，网络的能耗会很大。文献[14]提出
一个自适应的动态地址再分配策略 ADAR。当节点地址不足，无法给新加入节点分配地址110
时，网络进行一次地址重新分配。在重新分配时不仅为节点分配新的地址，也为节点分配一
些多余地址以备将来使用，以此减少孤立节点出现的概率。但是这种机制存在明显的缺点，
就是在网络移动性很强时，大量节点需要加入和离开，这使得整个网络可能需要经常的重新
分配地址，地址重新分配的能耗开销很大，而节点地址的重新分配也会造成通信的频繁中断。
上述研究均基于 ZigBee 簇树结构的解决方案，由于 Mesh 网络的特有性质，孤立节点115
问题和 ZigBee 簇树结构有相似也有不同，Mesh 网络节点都会维护着一张路由表，Mesh 网
络构成之后，节点会周期性的和自己的邻居节点广播 Hello 帧来交换信息，因此每个节点都
维护着自己邻居的相关信息。所以节点很容易得到自己每个邻居节点的地址剩余情况，当发
生地址不够，需要向邻居节点借用的情况下，就不需要向自己的邻居节点广播地址借用请求，
只需要根据邻居表中的信息，选择一个剩余地址最多的节点，向其借用地址即可。这样避免120
了广播地址借用请求的开销。本文提出的 BAM 正是利用了 mesh 网络的这一特点。
3 地址借用策略（BAM）
Mesh 网络形成之后，新节点加入这个 mesh 网络时，得到一个可以加入的邻居节点的
列表。选择一个邻居节点作为父节点加入网络，当这个节点的预留地址不够时，选择另一个125
节点加入，当所有可供加入的邻居节点都没有足够的地址来满足加入请求时，地址借用策略
(BAM)被启用。
BAM 的主要步骤如下：
1）新加入节点 JN（Joining Node）在邻居列表中选择一个最佳的邻居节点作为其代理
节点 PN（Proxy Node），并向其发送 帧。 130
2）PN 在收到 帧之后，查看邻居表，在邻居节点集 NS（Neighbor Set）中
选择一个剩余可用地址个数最大的邻居节点作为地址借出节点 CN（Creditor Node）。
3）PN 向 CN 发送地址借用请求帧 BAReq（Borrowing Address Request），CN 收到请
求帧之后，选择自己一个未被使用的地址，给 PN 回复发送地址借用响应帧 BARep
（Borrowing Address Reply），响应帧中包含借用出去的地址。 135
4）PN 收到来自 CN 的 BARep 后，向 CN 发送借用地址确认帧 BAC（Borrowing Address
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Confirmation），给 JN 分配地址，并且向存储在本地的地址借入表 AddrIn 添加一行(addr1, CN
addr1)，其中，addr1 和 CN addr1 分别表示借入的地址和借出节点的地址，表 AddrIn 包含域
“Addr_Bowrrowed”和“CN_Addr”（分别存储借来的地址和出借地址的节点地址）。
5）CN 收到 BAC 之后，向 PN 回复借用地址确认 ACK（Acknowledgement）；同时，140
向存储在本地的地址借出路由表 AddrOut 中添加一行(addr2, PN addr2)，其中，addr2 和 PN
addr2 分别表示借出的地址和代理节点 PN 的地址，且表 AddrOut 包含域“Addr_lent”和
“PN_Addr”（分别存储借出的地址和代理节点 PN 的地址）。
6）PN 回复 帧给 JN，其中包含所借之地址。
7）结束。 145
BAM 的信令及其发生时序如图 2 所示。
JN PN CN
BAReq
BAC
向AddrIn中添加一项
(addr1，CN addr1)
ACK
向AddrOut中添加一
项(addr2，PN addr2)
BARep
图 2 BAM 的时序图
Timeline in BAM
150
下面以图 3 说明 BAM 的执行过程，其中，节点 A 是 C 的父节点，节点旁边的花括号
“{i : j |k}”表示对应的节点所分配的地址块为 i , i+1,…, j 且另有 k 个地址可分配。在图 3(a)
中，新节点 N 欲加入 mesh 网络，由于 N 的两个邻居节点 C 和 E 剩余可分配地址个数均为
0，不能分配地址给节点 N。这时，BAM 开始，它选择 N 的其中一个邻居 C 作为代理节点。
于是，节点 C 查看自己的邻居表，发现节点 B 有多余地址，C 向自己的邻居节点 B 发送地155
址借用请求帧 BAReq（见图 3(b)）。由于节点 B 拥有地址块 2:3，且有一个可分配地址，即
它有未被使用过的地址 3，B 收到这个请求后，发送一个响应帧 BARep 其中包括地址 3 给 C
（见图 3(c)）；C 收到来自 B 的响应帧后将地址 3 分配给新节点 N，向 B 发送一个确认帧
BAC 以确定借用地址 3（见图 3(d)），且在本地路由表 AddrIn 中添加一项（3，2），说明
地址 3 是向地址为 2 的节点借来的。同时，B 在存储的路由表 AddrOut 中添加一项（3，1），160
表明将地址 3 借给了地址为 1 的节点。此外，B 回复一个确认帧 ACK 给节点 C（见图 3(e)）。
至此，地址借用过程结束。
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N
C
B
D
{0:4 |0}
{1:4 |0}
{4:4 |0}
E
{5:5 |0}
A
{2:3 |1}
N
C
B
D
{0:4 |0}
{1:4 |0}
{4:4 |0}
E
{5:5 |0}
A
{2:3 |1}
BAReq
N
C
B
D
{0:4 |0}
{1:4 |0}
{4:4 |0}
E
{5:5 |0}
A
{2:3 |1}
BARep
(a) JN 选择 PN (b) PN 选择 CN, 发送 BAReq (c) CN 回复 BARep 165
(a) JN selects PN (b) PN selects CN and sends BAReq (c) CN replies with BARep
N
C
B
D
{0:4 |0}
{1:4 |0}
{4:4 |0}
E
{5:5 |0}
A
{2:2 |0}
{3:3 |0}
Assign
address
BAC
N
C
B
D
{0:4 |0}
{1:4 |0}
{4:4 |0}
E
{5:5 |0}
A
{2:2 |0}
ACK
{3:3 |0}
(d) PN 发送 BAC , 分配地址给 JN (e) CN 回复 ACK
(d) PN sends BAC and assigns address to JN (e) CN Acknowledges
170
图 3 地址借用过程例子
one example of BAM
节点加入 mesh 网络
当一个 mesh 网络构成之后，节点向其周围邻居节点周期性地发送 Hello 帧以交换信息，175
Hello 帧的格式如表 1 所示，其中，“Remain Available Address”域的长度为 1B，表示本节
点剩余可用的地址个数；其余域取自 IEEE 标准[5]，其含义分别为：
“TTL”表示 Hello 帧最多可传输的跳数；
“Beginning Address”和“Ending Address”分别表示当前节点地址块的开始和结束地
址； 180
“Tree Level”表示当前节点所处在的树的层次；
“Hello Control”表示当前 Hello 帧的类型；
“Number of One-hop Neighbors”表示当前节点一跳邻居的个数；
“Number of Multicast Groups”表示在 Addresses of Multicast Groups 字段中多播组地址
的个数； 185
“Addresses of One-hop Neighbors”表示当前节点所有一跳邻居的逻辑地址，这个字段
长度是可变的；
“Addresses of Multicast Groups”表示当前节点多播组的地址，包括刚刚加入，离开当
前节点，已经当前节点子节点的地址。这个字段长度也是可变的。
通过交换 Hello 帧，节点可以得到每个邻居节点的剩余可用地址数。 190
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表 1 Hello 帧
Format of Hello frame
Octets：1 1 2 2 2 1 1 1 1 Variable Variable
Command
Frame
Identifier
TTL
Beginning
Address
Ending
Address
Tree
Level
Hello
Control
Number
of
One-hop
Neighbors
Number
of
Multicast
Groups
Remain
Available
Address
Addresses
of
One-hop
Neighbors
Addresses
of
Multicast
Groups
一个新节点加入 mesh 网络时，通过 Hello 帧得到一个邻居列表。在其所有邻居列表均195
无可用地址时，它选择一个一跳邻居个数（即“Number of One-hop Neighbors”域的值）最
大的邻居节点加入 mesh 网络，并取该邻居节点为代理节点 PN。
节点离开 mesh 网络
目前只支持叶子节点的移动性，分为主动离开和被动离开两种情况：
(1)节点主动离开 mesh 200
节点发送 [5]给其父节点，并广播 Hello 帧告知邻居节点，其中，
“Hello Control”域的最高位设置为 1（表示要离开 mesh 网络）[5]，让邻居节点删除与之相
关的信息。父节点收到 后，删除欲离开的节点，并检查其 AddrIn 是
否保存欲离开节点的相关记录。若无，则向离开节点回复离开确认帧
[5]。若有，则向 CN 发送 ARN(Address Return Notice)帧，其中包含离205
开节点的地址，之后删除 AddrIn 中相关项；CN 在收到 ARN 后，删除 AddrOut 中离开节点
的相关项，更新其可分配地址数，并向 PN 回复回收地址确认帧 ARC（Address Return
Confirm），PN 收到 ARC 后，向离开节点回复离开确认帧 [5]。
(2)节点被动离开 mesh
父节点发送离开命令帧，收到命令帧后离开节点删除自己的信息，并且广播 hello 帧通210
知邻居删除自己的信息。父节点检查其 AddrIn 是否有离开节点相关记录。若有，则回收所
借地址，其过程与节点主动离开相同。
基于 BAM 的 mesh 路由算法
在源节点 S 发送数据包给目的节点 D 时，收到数据包的节点 Z（下称“当前节点”）215
根据下述步骤处理数据包。
Step 1. 若节点 Z 和 D 的地址相同（即 Z 是目的节点），则转到 Step 8。
Step 2. 节点 Z 检查 AddrIn 表。若 _Addr 域包含目的节点 D 的地址（这意味
着 Z 是节点 D 的一跳邻居节点），则 Z 将数据包直接转发给 D，转到 Step 8。
Step 3. 节点 Z 检查其 AddrOut 表。若 AddrOut. Addr_lent 域包含 D 的地址（这意味着 Z220
通过代理节点 AddrOut. PN_Addr 借地址给 D），则 Z 把数据包发送到代理节点 AddrOut.
PN_Addr 并由之转发给 D，转到 Step 8。
Step 4. 若 D 是 Z 的一跳邻居，则 Z 将数据包直接发给 D，转到 Step 8。
Step 5. 若 D 的地址在 Z 所拥有的地址块内，则 Z 计算 D 所在的地址块，并将数据包转
发到相应地址块的子节点，转到 Step 8。 225
Step 6. 若 D 是 Z 的邻居节点的子节点，则 Z 根据邻居表或者连接矩阵，将数据包发给
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给相应的邻居节点，转到 Step 8。
Step 7. 节点 Z 将数据包转发给父节点。
Step 8. 结束。
230
4 仿真与性能分析
在一个 300m300m的区域中，随机生成一个由 1000个传感器节点组成的树（见图 4(a)），
节点间的通信距离为 20m，根节点为网络中的每个节点均匀分配预留地址。然后，随机生成
1000 个新节点加入到网络（见图 4(b)）。我们以新节点加入网络的成功率（简称“加入成
功率”）来衡量地址分配策略的性能。在仿真时，分别就影响节点加入成功率的三个参数：235
加入节点数、通信距离和网络总的可用地址的变化，来对比本文给出的地址借用策略 BAM
和 IEEE 地址分配策略（简称“ 策略”）的性能，所得结果是 1000 次仿真
结果的平均值。
(a)Mesh 网络中的树 (b)节点加入树 240
(a)The tree in mesh network (b) Nodes join the tree
图 4 生成的 mesh 网络的树
Generated tree in mesh network
在网络可用地址为 2000、通信距离为 20 米的情况下，加入节点个数变化对节点加入成245
功率的影响如图 5(a)所示；在总可用地址数为 2000、加入节点数为 1000 的情况下，节点之
间通信距离变化对加入成功率的影响如图 5(b)所示；在通信距离为 20 米、加入节点数为 1000
的情况下，网络可用地址的变化对加入成功率的影响如图 5(c)所示。从图 5(a)、图 5(b)和图
5(c)可见：对于节点加入网络成功率这一指标，BAM 明显优于 策略。此外，从图
5(a)可见：随着加入节点的增加，两个策略的加入成功率均逐渐降低，但 策略的加250
入成功率明显降低，而 BAM 下降较小。这说明：使用 BAM 策略后，加入节点个数的增加
对节点加入网络成功率的影响不显著。从图 5(b)可见：节点加入网络成功率随着通信距离的
增大而增大，这是因为当通信距离增大时，节点的邻居个数增大，从而节点加入到有空余地
址邻居节点的可能性也增大。从图 5(c)可见：节点加入网络成功率随着网络可用地址的增大
而增大，这是因为当网络总地址增大时，节点的可用地址增多，接入网络的可能性增大。 255
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(a)加入节点数对加入成功率影响
(a) The impact of number of joining nodes on ratio of successful joining
(b)通信距离对加入成功率影响 260
(b) Impact of reach of radio on ratio of successful joining
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(c)可用地址数对加入成功率影响
(c) Impact of number of available addresses on ratio of successful joining
图 5 BAM 和 地址分配策略节点加入成功率的对比 265
Comparison of ratio of successful joining under BAM and address assignment scheme
5 结论
本文设计了一个地址借用策略 BAM，它允许节点向有未用地址的节点借用地址，以此
来解决地址不足的问题，提升了 mesh 网络地址的利用率。在 BAM 策略中，通过给 Hello270
帧增加剩余地址数这一字段，代理节点可以直接向剩余地址最多的邻居借用地址，从而不需
要广播借用请求，减小了网络的能耗。仿真结果显示，BAM 的加入成功率优于 IEEE
协议的地址分配方法。
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