牟杰，蔡自興，劉麗玨

(中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙 410083)

ZigBee簇狀網(wǎng)的OMNeT++仿真模型

牟杰，蔡自興，劉麗玨

(中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙 410083)

最新版的ZigBee 2007協(xié)議規(guī)范允許在一個網(wǎng)絡中部署64 000個節(jié)點以上，但目前市場和技術(shù)尚未完全成熟，國內(nèi)仍無大規(guī)模節(jié)點部署的實例.為了給大規(guī)模部署Zigbee節(jié)點的研究提供參考模型，通過OMNeT++仿真環(huán)境，圍繞Zigbee 2007協(xié)議中定義的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及AODV路由算法進行了大規(guī)模節(jié)點的組網(wǎng)和路由仿真.仿真實驗表明，該模型具有Zigbee 2007網(wǎng)絡層和介質(zhì)訪問控制層的組網(wǎng)和路由功能，成功實現(xiàn)了大規(guī)模節(jié)點的自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，可用于大規(guī)模部署ZigBee節(jié)點的可行性研究.

ZigBee;OMNeT++;AODV;大規(guī)模節(jié)點網(wǎng)絡;仿真模型

無線傳感器網(wǎng)絡，尤其是成百上千個節(jié)點的網(wǎng)絡研究必須依賴于仿真模型.通常，仿真模型要盡可能接近實際情況，同時易于修改和擴展.文獻［1］針對少數(shù)節(jié)點的星型無線傳感器網(wǎng)絡進行了仿真建模，文獻［2］建立的模型使用全局拓撲結(jié)構(gòu)控制和GEAR路由.前者不符合大規(guī)模網(wǎng)絡的要求，后者不符合外設資源有限的無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡的實際條件.文獻［3］基于Worldsens的一部分WSNet建立了大規(guī)模節(jié)點模型XS－WSNet，但是Worldsens擴展性能不理想.文獻［4］基于TinyOS的仿真組件TOSSIM建立了一個具有能量約束的分布式仿真模型，根據(jù)文獻［5］對仿真工具的對比分析，TOSSIM的使用比較復雜并且僅適用于MICA節(jié)點平臺，不利于后續(xù)的開發(fā).文獻［5－6］均指出 OMNe T++是一款流行的、擴展性能極好且運行效率高的網(wǎng)絡仿真工具.故基于文獻［5－6］的分析，本文使用OMNeT++仿真工具，根據(jù)最新的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議 ZigBee 2007建立一個大規(guī)模節(jié)點網(wǎng)絡的仿真模型，該模型具有自組網(wǎng)和點對點路由功能，基于模塊和面向?qū)ο蟮脑O計便于后續(xù)開發(fā)者使用，為研究現(xiàn)實中部署大規(guī)模傳感器節(jié)點，如土地監(jiān)測等應用，提供可靠的參考模型.

1 OMNeT++簡介

OMNeT++是一個優(yōu)秀的網(wǎng)絡仿真IDE(integrated development environment)，其開發(fā)界面類似于開發(fā)JAVA常用的ECLIPSE，平臺使用C++和NED(network description)作為開發(fā)語言.NED語言用于定義一個模塊，通過幾個簡單的向?qū)Ю泳湍茌p松掌握.模塊分為簡單模塊和組合模塊，簡單模塊的功能由用戶的C++代碼實現(xiàn)，組合模塊由簡單模塊組合而成.

OMNeT++是基于離散事件驅(qū)動的，一個事件即一個消息，仿真中的節(jié)點在接收到消息后進行相關(guān)操作，當整個網(wǎng)絡中不再有消息傳遞時仿真停止運行.OMNeT++中的圖形接口稱為Tkenv，它可以出色地顯示網(wǎng)絡連接的各種事件和狀態(tài)(比如收發(fā)消息、節(jié)點之間的連接狀態(tài)等)，并能對事件及數(shù)據(jù)進行記錄和統(tǒng)計.

2 通信協(xié)議簡介

IEEE 802.15.4－2003 協(xié)議［7］將設備分為全功能設備(full－function device，F(xiàn)FD)和簡單功能設備(reduced－function device，RFD)，全功能設備根據(jù)在網(wǎng)絡中的角色又可分為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(personal area network coordinator，PAN coordinator)和協(xié)調(diào)器(coordinator).在IEEE 802.15.4－2003標準中，簇狀網(wǎng)是一個多子網(wǎng)(cluster，也稱為簇)構(gòu)成的網(wǎng)絡，如圖1所示.圖1中的連線表示父設備與子設備的關(guān)系，不表示信息流.每個子網(wǎng)呈樹形展開，由一個簇頭(cluster head)負責與其他子網(wǎng)通信和維護本子網(wǎng)通信.簇頭在子網(wǎng)內(nèi)的16 bit短地址(short address)為0，在子網(wǎng)內(nèi)的其他設備的短地址由簇頭分配.

圖1 IEEE 802.15.4－2003定義的簇狀網(wǎng)Fig.1 Cluster-tree network defined by IEEE 802.15.4-2003

ZigBee協(xié)議［8］是 ZigBee 聯(lián)盟根據(jù)IEEE 802.15.4－2003標準制訂的低速率、低功耗、全雙工的無線通信協(xié)議，最新的ZigBee 2007(下文均稱為Zig－Bee Specification)是目前惟一獲得ZigBee聯(lián)盟董事會許可的版本.

ZigBee Specification將設備分為協(xié)調(diào)器(ZigBee coordinator)、路由器(ZigBee router)和終端設備(ZigBee enddevice).ZigBee協(xié)調(diào)器即IEEE 802.15.4－2003的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器即IEEE 802.15.4－2003的路由器，ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee路由器都是全功能設備，兩者的角色是可以互相轉(zhuǎn)換的.ZigBee終端設備即IEEE 802.15.4－2003的簡單功能設備，簡單功能設備之間不能直接進行通信，要通過其父節(jié)點(全功能設備)進行通信.ZigBee Specification描述的通信過程不涉及網(wǎng)間通信，即ZigBee網(wǎng)絡僅僅描述圖1中網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器所在的子網(wǎng)而不涉及其他子網(wǎng).

在本文中，ZigBee簇狀網(wǎng)指ZigBee Specification中的對等網(wǎng)絡(mesh network)，把每個路由器及其子設備看成一個簇，如圖2所示.

圖2 ZigBee Specification定義的對等網(wǎng)絡Fig.2 Mesh network defined by ZigBee Specification

3 ZigBee簇狀網(wǎng)的仿真模型設計

本模型設計的主要目的是實現(xiàn)大規(guī)模ZigBee節(jié)點的自組網(wǎng)和點對點路由，為研究ZigBee節(jié)點部署提供參考依據(jù)，故模型包含了介質(zhì)訪問控制層和網(wǎng)絡層的組網(wǎng)和點對點路由功能，如圖3所示，應用層僅用于產(chǎn)生凈載荷.

通常，建立模型前需要提出一些假設條件，本模型做如下假設:1)信道是無損、無延遲的理想信道;2)鑒于ZigBee路由器與ZigBee協(xié)調(diào)器的角色可以相互轉(zhuǎn)換，認為所有ZigBee路由器都可作為潛在的ZigBee協(xié)調(diào)器，模型中不單獨設計ZigBee協(xié)調(diào)器;3)網(wǎng)內(nèi)通信使用16 bit短地址，且短地址為靜態(tài)分配，使用OMNeT++給模塊分配的ID號作為短地址;4)廣播消息不設置重發(fā).在以上假設條件下，仿真模型設計如下.

圖3 ZigBee節(jié)點模型Fig.3 Node model of ZigBee

3.1 參數(shù)

網(wǎng)絡節(jié)點個數(shù)可以選取任意值，出于仿真時間成本的考慮，總共使用500個節(jié)點，具體網(wǎng)絡參數(shù)見表1.

表1 網(wǎng)絡關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Parameters of the network

3.2 幀格式

關(guān)于幀格式的細節(jié)請查閱文獻［8－9］，本文對幀格式做了適當簡化:數(shù)據(jù)包(packet)包括MAC層幀頭(如表2所示)和網(wǎng)絡層消息.網(wǎng)絡層消息有4種，包括連接請求消息、連接確認消息、路由請求消息和路由應答消息，網(wǎng)絡層消息由網(wǎng)絡層幀頭和網(wǎng)絡層載荷組成，如表3～7所示.

表2 MAC層幀頭Table 2 MAC header

表3 網(wǎng)絡層幀頭Table 3 NWK header

表4 連接請求消息的網(wǎng)絡層載荷Table 4 Payload field of the connection request command

表5 連接確認消息的網(wǎng)絡層載荷Table 5 Payload field of the connection confirm command

表6 路由請求消息的網(wǎng)絡層載荷Table 6 Payload field of the routing request command

表7 路由應答消息的網(wǎng)絡層載荷Table 7 Payload field of the routing reply command

3.3 自組網(wǎng)

由文獻［8］得知2.4GHz ZigBee模塊 CC2430的傳輸距離約為100 m.組網(wǎng)過程中，ZigBee終端設備向其通信半徑內(nèi)最近的ZigBee路由器發(fā)出連接請求，ZigBee路由器之間也互相發(fā)送連接請求，請求成功后相互將對方添加到自己的鄰居表中.網(wǎng)絡節(jié)點隨機均勻分布在750 m×750 m的區(qū)域內(nèi)，連接過程可用偽代碼表示為:這里需要說明的是，“＜－－＞”在NED語言中表示2個門(gates)之間互連，門即消息傳遞的接口.

3.4 路由算法

ZigBee協(xié)議規(guī)范使用的路由算法是經(jīng)典的AODV(Ad hoc on－demand distance vector)算法［10］，該算法依賴于2個表——路由發(fā)現(xiàn)表(route discovery table)和路由表(route table)，分別如表8～9所示.

表8 路由發(fā)現(xiàn)表Table 8 Route discovery table

表9 路由表Table 9 Route table

啟動路由發(fā)現(xiàn)后，ZigBee路由器向通信距離內(nèi)的其他路由器廣播路由請求，發(fā)起或轉(zhuǎn)播路由請求的ZigBee路由器均建立以上2個表.其中路由發(fā)現(xiàn)表記錄了路由請求ID、發(fā)起路由的源地址、轉(zhuǎn)發(fā)路由請求節(jié)點的地址、前向代價(路由請求消息中的pathCost)、后向代價(路由應答消息中的pathCost)以及路由發(fā)現(xiàn)超時時間.路由表中記錄了路由請求的目的地址、路由的下一跳地址和路由狀態(tài).

當先后抵達ZigBee路由器的2個路由請求的routeRequestID和sourceAddress均相同時，路由器只轉(zhuǎn)播前向代價最小的請求，同時更新路由發(fā)現(xiàn)表.當多個路由請求均指向同一個目的地址時，路由器在其路由表中僅建立一個與目的地址相應的記錄，同時在其路由發(fā)現(xiàn)表中建立幾個不同的路由請求記錄，如圖4所示.

當目的節(jié)點接收到路由請求，它就給發(fā)送路由請求的鄰居回發(fā)一個路由應答.在接收到路由應答后，ZigBee路由器更新路由表的nextHopAddress，使之成為最小后向代價的應答消息的發(fā)送者.最后，從路由表中的nextHopAddress可確定一條從路由源地址到目的地址的代價最小路徑.

圖4 路由發(fā)現(xiàn)表與路由表的對應關(guān)系Fig.4 The relationship between route discovery table and route table

3.5 凈載荷(goodput)

組網(wǎng)完成后，在終端設備上每10 s隨機產(chǎn)生一個地址，若該地址與自己的地址相同，則終端設備生成一個數(shù)據(jù)包(data)，并隨機挑選一個ZigBee路由器作為目的節(jié)點.

4 仿真結(jié)果

ZigBee簇狀網(wǎng)的局部網(wǎng)絡放大后如圖5所示，圖中連線表示2個設備成功連接，end表示enddevice，rte表示 router.

圖5 路由器將終端設備的數(shù)據(jù)包暫存Fig.5 The data packet temporary storage in routers

圖5中，end［346］要給 rte［84］發(fā)送 1 個數(shù)據(jù)包，先將數(shù)據(jù)包發(fā)給其父節(jié)點 rte［39］，由于 rte［39］不是數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點，目的節(jié)點rte［84］不是rte［39］的鄰居，并且 rte［39］沒有 rte［84］的相應路由記錄，所以rte［39］只能將數(shù)據(jù)包暫存并為該數(shù)據(jù)包尋找路由.

當rte［39］成功收到路由應答后，它先更新路由表，然后從數(shù)據(jù)隊列中取出數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包的目的地址與路由表中的目的地址比對，若相同且路由表狀態(tài)為ACTIVE，則將數(shù)據(jù)包發(fā)給路由表中nextHopAddress對應的鄰居.鄰居繼續(xù)沿路由表中對應的nextHopAddress轉(zhuǎn)發(fā)下去，最后rte［84］成功接收到end［346］發(fā)給它的數(shù)據(jù)包，如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)包成功路由到目的地址Fig.6 The data packet has been successfully routed to its destination

5 結(jié)束語

為研究大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的部署提供參考，通過分析IEEE 802.15.4和ZigBee2007協(xié)議，運用開源、構(gòu)件化、面向?qū)ο笤O計的網(wǎng)絡仿真工具OMNeT++建立了大規(guī)模ZigBee節(jié)點的網(wǎng)絡仿真模型.仿真結(jié)果表明，該模型具有大規(guī)模節(jié)點的自組網(wǎng)和路由功能，為研究現(xiàn)實中部署ZigBee節(jié)點提供了可靠友好的仿真環(huán)境.后續(xù)的工作可以分3個方向:1)繼續(xù)完善本模型，如增加節(jié)點移動性能，改進信道模型，增加傳感模塊和能量模塊等，實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋、能量效率、安全加密等功能，以滿足部署ZigBee節(jié)點的研究需要;2)加入不同的無線傳感器通信協(xié)議，比較不同協(xié)議之間的性能;3)基于不同的仿真工具開發(fā)仿真模型，比較各個模型的性能，為不同的應用場合提供量材定制的仿真環(huán)境.

［1］FENG Chen，F(xiàn)ALKO D.A simulation model of IEEE 802.15.4 in OMNeT++［C］//Proceedings of the 6th GI/ITG KuVS Fachgesprach Drahtlose Sensornetze.Aachen，Germany，2007:35－38.

［2］CHEN Jiming，ZHANG Jianhui，XU Weiqiang，et al.The development of a realistic simulation framework with OMNeT++［C］//Second International Conference on Future Generation Communication and Networking.Sanya，China，2008:497－500.

［3］ALI A，SEBASTIEN T.XS－WSNet:extreme scale wireless sensor network simulation［C］//2010 IEEE International Symposium on a World of Wireless Mobile and Multimedia Networks.Montreal，Canada，2010:1－9.

［4］MINA J，JAE C.SWARM－eTOSSIM:a simulator for distributed energy－constrained tiny devices［C］//2011 Tenth International Symposium on Autonomous Decentralized Systems.Kobe，Japan，2011:17－24.

［5］MUHAMMAD Z，BOB A，F(xiàn)AYCAL B，et al.Limitations of simulation tools for large－scale wireless sensor networks［C］//2011 Workshops of International Conference on Advanced Information Networking and Applications.Singapore，2011:820－825.

［6］EYANGELIA K，VASSILIOS V.Assessment of network simulators for real world WSNs in forest environments［C］//2011 International Conference on Networking，Sensing and Control.Delft，Netherlands，2011:427－432.

［7］LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.SS95127 Part 15.4:wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for lowrate wireless personal area networks(LR－WPANS) ［S］.New York，USA:The Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2003:29－160.

［8］ZigBee－Alliance.ZigBee specification:document 053474r17［S］.San Ramon，CA，USA:ZigBee－Alliance Inc，2008:259－418.

［9］郭宏福，白麗娜，郭志華.2.4 GHz Zigbee數(shù)傳模塊傳輸距離的估算方法［J］.西安電子科技大學學報，2009，36(4):691－695.

GUO Hongfu，BAI Li’na，GUO Zhihua.Estimation method for the transmission distance for the 2.4 GHz Zigbee application［J］.Journal of Xidian University，2009，36(4):691－695.

［10］CHARLES E，ELIZABETH M.Ad－h(huán)oc on－demand distance vector routing［C］//Proceedings of the Second IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications.New Orleans，USA，1999:90－100.

牟杰，男，1987年生，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡.

蔡自興，男，1938年生，教授，博士生導師，首屆國家級教學名師獎、寶鋼教育基金優(yōu)秀教師特等獎和徐特立教育獎獲得者，國際導航與運動控制科學院院士、紐約科學院院士，任中國人工智能學會第5屆理事會副理事長及智能機器人專業(yè)委員會主任、中國自動化學會理事、中國計算機學會模式識別與人工智能專委會委員等.主要研究方向為智能系統(tǒng)、人工智能、智能控制、智能機器人等.主持并完成包括國家自然科學基金重點項目在內(nèi)的科教研究項目30余項，其中獲國際獎勵2項、國家級獎勵2項、省部級等獎勵15項.發(fā)表學術(shù)論文660余篇，出版專著、教材32部.

劉麗玨，女，1973年生，副教授，主要研究方向為人工智能、智能計算、傳感器網(wǎng)絡、多機器人等.

A simulation of the ZigBee cluster-tree network in OMNeT++

MOU Jie，CAI Zixing，LIU Lijue
(Institute of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

ZigBee 2007 offers full wireless mesh networking capable of supporting more than 64，000 devices on a single wireless sensor network.Due to immature markets and technology，a deployment with hundreds of thousands of nodes does not exist at present.By using the OMNeT++simulation IDE，a simulation model of a large－scale network according to the ZigBee 2007 protocol was created which aimed at providing a reference model for deploying a large－scale sensor network.The model implemented the networking and routing functions of the network layer and medium access control layer according to the ZigBee 2007 protocol，and successfully established an ad－h(huán)oc network while transmitting data internally.For these reasons，it can be used for the study of deploying a large－scale ZigBee network.

ZigBee;OMNeT++;AODV;large－scale network;simulation model

TP393

A

1673－4785(2012)01－0056－05

10.3969/j.issn.1673－4785.201107001

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20120210.1640.001.html

2011－07－03. 網(wǎng)絡出版時間:2012－02－10.

國家自然科學基金資助項目(90820302，61175064).

牟杰.E－mail:JoeccMou@csu.edu.cn.