中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院　楊建旭中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院　姚愛(ài)琴　孫運(yùn)強(qiáng)

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ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的仿真研究

中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院楊建旭
中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院姚愛(ài)琴孫運(yùn)強(qiáng)

【摘要】ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，以低功耗、自組織、低成本以及體積小等特點(diǎn)，順應(yīng)了市場(chǎng)需求，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。通過(guò)使用OPNET仿真軟件對(duì)ZigBee協(xié)議的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分析端對(duì)端延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)吞吐率和協(xié)調(diào)器吞吐率等性能指標(biāo)，得出三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用情形。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；OPNET；網(wǎng)絡(luò)性能

0　引言

近年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個(gè)領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量靜止或移動(dòng)的廉價(jià)微型傳感器組成的多跳自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。面對(duì)十幾年來(lái)出現(xiàn)的大量WSN標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義了WSN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.15.4為其中之一。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基于IEEE802.15.4，ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍(lán)牙不同，具有低功耗、自組織以及低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)，是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用(Sensor and Control)[1]。

1　ZigBee技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)作為短距離無(wú)線通信技術(shù)之一，在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。比如在工業(yè)、家庭自動(dòng)控制和遙測(cè)遙控領(lǐng)域，藍(lán)牙技術(shù)功耗大、加入網(wǎng)絡(luò)慢、距離近以及組網(wǎng)規(guī)模比較小等其他缺陷。ZigBee協(xié)議解決了上述問(wèn)題，ZigBee協(xié)議具有一下特點(diǎn)[2]：

（1）低功耗：兩節(jié)五號(hào)電池可以使用1年左右的時(shí)間；

（2）低成本：以TI公司的CC2530為例，TI公司提供了完整的ZigBee解決方案，每塊CC2530大約十幾元；

（3）低速率：ZigBee提供三種數(shù)據(jù)速率，分別為：250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)；

（4）高可靠性：MAC層采用了CSMA/CA技術(shù)；

（5）短時(shí)延：加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)間、通信時(shí)延以及從休眠時(shí)延都是毫秒級(jí)；

（6）高容量：最多可以組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；

（7）高安全性：ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用訪問(wèn)控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

1.1ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備類型

在IEEE802.15.4中定義了兩種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）和縮減功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）。ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于此有三種設(shè)備角色：PAN協(xié)調(diào)器（PAN Coordinator）、路由節(jié)點(diǎn)（Router）以及終端節(jié)點(diǎn)（End Device）。

圖1　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]：星型拓?fù)?、?shù)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)?，如圖1所示。

2　Opnet仿真

圖2　OPNET 三種拓?fù)鋱D

圖3　仿真結(jié)果

近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究有多種方法，在網(wǎng)絡(luò)迅速膨脹的今天，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究一般有以下幾種方法：

（1）分析法，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行抽象并建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)方法求出模型的最優(yōu)解；

（2）實(shí)驗(yàn)法，就是用實(shí)驗(yàn)的方法建立相似環(huán)境進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行研究；

（3）仿真法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)依靠仿真軟件分析仿真結(jié)果。

2.1仿真簡(jiǎn)介

分析法和實(shí)驗(yàn)法都存在很大的局限性，仿真法可以彌補(bǔ)這兩種方法的不足。當(dāng)前有許多優(yōu)秀的仿真軟件，其中有OPNET、NS2、Matlab、OMNeT++以及GloMoSim等[4]。

OPNET Modeler是OPNET軟件三個(gè)模塊之一，提供了建模、仿真以及分析的集成環(huán)境，并提供ZigBee模型庫(kù)。OPNET Modeler采用三層建模機(jī)制，分別為進(jìn)程模型、節(jié)點(diǎn)模型以及網(wǎng)絡(luò)模型。

NS2(Network Simulator, version 2)是開(kāi)源并免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，使用C++和Otcl作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，NS軟件入門困難，所包含的模塊涉及到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各個(gè)方面，但是可供查閱的資料比較少。

OMNeT++仿真軟件基于離散事件，也是免費(fèi)并開(kāi)源的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，具有很好的圖形界面，可以使用C++進(jìn)行編程。

OPNET Modeler不論在軟件功能方面還是操作易用性方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛的使用。

2.2OPNET建模與仿真結(jié)果分析

建立工程，此工程有三個(gè)200mX120m場(chǎng)景[5]，分別為：star、tree和mesh。三個(gè)場(chǎng)景的節(jié)點(diǎn)數(shù)及類型完全相同，分別對(duì)應(yīng)ZigBee的星型、樹(shù)狀及網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)置為10mW，最大退避次數(shù)設(shè)置為4，傳輸帶寬設(shè)置為2450MHz，PAN標(biāo)識(shí)符自動(dòng)分配，數(shù)據(jù)包發(fā)送開(kāi)始時(shí)間為10～11s之間的隨機(jī)數(shù)，數(shù)據(jù)包發(fā)送停止時(shí)間為仿真結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔為0.5s，數(shù)據(jù)包大小為1024bit，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)類型三個(gè)場(chǎng)景分別設(shè)置為：Star Network、Tree Network以及Mesh Network。以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的MAC層吞吐量、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的吞吐量以及應(yīng)用層端到端延時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，仿真結(jié)果如圖3所示。

從以上分析得出：相同的網(wǎng)絡(luò)配置下，星型的網(wǎng)絡(luò)相比其他兩種MAC層的吞吐量小很多，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)排其次，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)最差。對(duì)于應(yīng)用層的端到端延時(shí)，星型網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)最小，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)排其次，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)延時(shí)最大，但都在毫秒級(jí)別。對(duì)于協(xié)調(diào)器的吞吐量，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)最小，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)排其次，星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的吞吐量最大。

3　結(jié)論

本文對(duì)ZigBee技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)做了簡(jiǎn)單介紹，在OPNET平臺(tái)上對(duì)ZigBee三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了仿真研究，得出以下結(jié)論：在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小的時(shí)候，星型網(wǎng)絡(luò)以最小的MAC層吞吐量和應(yīng)用層端到端延時(shí)表現(xiàn)出色，而對(duì)于一些規(guī)模大的網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓現(xiàn)象，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)最佳。

參考文獻(xiàn)

[1]趙艷玲,歐陽(yáng)國(guó)軍.基于OPNET 的ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能仿真研究[J].廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,31(4):65-70.

[2]李君茹,李雯瑞.基于opnet的zigbee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真分析研究[J].信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院學(xué)報(bào),2014,24(2):113-116.

[3]王小強(qiáng),歐陽(yáng)駿,黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012,5.

[4]馬新華.基于opnet的zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅芊抡嫜芯縖J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2011,16(5):39-41.

[5]陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

楊建旭（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

姚愛(ài)琴（1969—），女，博士，副教授，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)、遙控遙測(cè)技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)。

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