方濤濤, 馬小軍

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院, 江蘇 南京 211816)

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基于OPNET的智能家居網(wǎng)絡仿真及性能分析

方濤濤, 馬小軍

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院, 江蘇 南京 211816)

結(jié)合普通民用住宅,介紹了基于OPNET的智能家居網(wǎng)絡設計。利用OPNET軟件對設計方案的ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行仿真分析,對比了網(wǎng)絡的延遲、吞吐量、丟包率等重要網(wǎng)絡指標,再根據(jù)分析結(jié)果選出智能家居ZigBee網(wǎng)絡最合適的拓撲結(jié)構(gòu),對智能家居的優(yōu)化具有參考意義。

智能家居; 無線網(wǎng)絡; OPNET軟件; 仿真分析

0 引 言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,智能家居系統(tǒng)在家務方面可提供各種智能控制方案,讓家庭主人在處理家務方面既快捷,又省力。ZigBee技術(shù)在智能家居中應用廣泛,具有抗干擾力強、保密性好、傳輸速度快、可擴展性強、組網(wǎng)容易、自恢復能力強等優(yōu)點,因此便于在智能家居中進行擴展,增加新設備[1-2]。

合理的ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)會讓ZigBee網(wǎng)絡的重要性能得以提高,同時對智能家居系統(tǒng)的提升有重要作用。

1 OPNET Modeler概述

在OPNET所有產(chǎn)品中,Modeler幾乎包含其他產(chǎn)品的功能,可以用于通信網(wǎng)絡、設備、協(xié)議的開發(fā)和應用的仿真,為網(wǎng)絡技術(shù)人員提供了仿真分析的集成環(huán)境,減少了編程和數(shù)據(jù)分析的工作量[3]。

Modeler采用進程模型、節(jié)點模型、網(wǎng)絡模型三層建模機制。進程模型使用狀態(tài)機描述協(xié)議,狀態(tài)及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換用C/C++語言描述。節(jié)點模型由多個協(xié)議模型組成,使得節(jié)點更能模擬設備的特性。網(wǎng)絡模型由多個節(jié)點模型組成,通過設置節(jié)點屬性,可以精確地模擬網(wǎng)絡的所有特征。

OPNET Modeler仿真過程步驟簡單,大致分為拓撲設計、業(yè)務設定、統(tǒng)計量確定、仿真、調(diào)試后再仿真、發(fā)布結(jié)果等6步。

2 智能家居無線網(wǎng)絡設計

2.1 主要性能指標

智能家居網(wǎng)絡的性能和穩(wěn)定性非常重要,因此有必要對智能家居網(wǎng)絡的性能進行分析評估。本文主要從ZigBee網(wǎng)絡延時、吞吐量、誤碼率3個重要指標方面進行分析。

(1) 網(wǎng)絡延遲。網(wǎng)絡延遲是數(shù)據(jù)源節(jié)點到目的節(jié)點再返回源節(jié)點傳輸所用的時間,包括在傳輸介質(zhì)中傳輸?shù)臅r間和在轉(zhuǎn)發(fā)設備中等待、處理的時間。網(wǎng)絡延遲是評價網(wǎng)絡性能的一個重要指標。不同的應用對網(wǎng)絡延遲的要求也不同,如語音和視頻對延遲的要求非常高,而Web服務相對較低。在實際情況中,網(wǎng)絡延遲并不是固定不變的。目前,網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包多采用分組交換,數(shù)據(jù)往返鏈路有可能不同,因此直接影響網(wǎng)絡延遲的統(tǒng)計。

(2) 吞吐量。吞吐量是指網(wǎng)絡設備或端口單位時間內(nèi)成功接收并轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量,是網(wǎng)絡性能評價體系中的重要指標。

(3) 誤碼率。誤碼率是通信系統(tǒng)可靠性的重要指標,是指錯誤碼元數(shù)與傳輸總碼元數(shù)之比。一般誤碼率越低,通信系統(tǒng)的可靠性越高,網(wǎng)絡越穩(wěn)定。不同的應用對誤碼率的要求也不同。在無線通信中,由于噪聲、多徑、干擾和移動終端漫游等影響,在無線網(wǎng)絡設計時需特別重視誤碼特性指標的數(shù)據(jù)采集。

2.2 智能家居網(wǎng)絡設計

在普通民用住宅房間(長、寬均為10 m)中進行智能家居設計,內(nèi)部有15個終端節(jié)點。本文主要研究智能家居ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡性能的影響[4]。

2.2.1 星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)是指各網(wǎng)絡設備以星形方式連接成網(wǎng)，網(wǎng)絡有中央節(jié)點,其他節(jié)點(移動端、服務器)都與中央節(jié)點直接相連。該結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點為中心,因此又稱為集中式網(wǎng)絡，便于集中控制,網(wǎng)絡的延遲、誤碼率低,但是對中心設備的要求極高,所有數(shù)據(jù)都要經(jīng)過中心設備處理轉(zhuǎn)發(fā),如果中心設備崩潰,則整個網(wǎng)絡癱瘓。OPNET軟件設計的星形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OPNET軟件設計的星形結(jié)構(gòu)

2.2.2 樹形結(jié)構(gòu)

樹形結(jié)構(gòu)是一種分級的集中控制式網(wǎng)絡,可以包含多個分支,每個分支又可以包含多個節(jié)點。目前,大部分網(wǎng)絡都采用該結(jié)構(gòu)。因其擴展性好,易于查找路徑。不足是干路任一節(jié)點發(fā)生故障都會影響整個樹形網(wǎng)絡。OPNET軟件設計的樹形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OPNET軟件設計的樹形結(jié)構(gòu)

2.2.3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的基本思想是將網(wǎng)絡環(huán)境劃分成許多以正六邊形為基本幾何圖形的覆蓋區(qū)域,配合頻率復用技術(shù),為解決頻率資源緊缺和用戶問題提供有效手段。采用這種方式可以布置更少的接入點,以降低成本。OPNET軟件設計的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 OPNET軟件設計的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)絡延遲仿真比較如圖4所示。由圖4可見,星形拓撲結(jié)構(gòu)的延遲約為0.1 s,網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的延時約為0.03 s,樹形拓撲結(jié)構(gòu)的延遲約為0.04 s。從延遲角度來看,網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

圖4 網(wǎng)絡延遲仿真比較

吞吐量仿真比較如圖5所示。

圖5 吞吐量仿真比較

由圖5可見,星形拓撲結(jié)構(gòu)的平均吞吐量約為18 000 b/s,網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的平均吞吐量約為20 000 b/s,樹形拓撲結(jié)構(gòu)平均吞吐量約為16 000 b/s。從吞吐角度來看,網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

丟包仿真比較如圖6所示。

圖6 丟包仿真比較

由圖6可見,星形和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的丟包率明顯小于樹形結(jié)構(gòu)的丟包率。

綜上所述,設計的智能家居網(wǎng)絡從網(wǎng)絡延時、吞吐量、丟包率網(wǎng)絡指標來看,網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)最合適。

4 結(jié) 語

本文使用OPNET對智能家居網(wǎng)絡進行建模及仿真,對3種拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡延遲、吞吐量、丟包率等重要指標進行了分析,再根據(jù)分析結(jié)果選擇最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu),對智能家居的優(yōu)化有一定參考價值。

[1] 吳敏飛.基于OPNET的校園網(wǎng)設計建模與仿真分析[D].杭州:浙江工業(yè)大學,2014.

[2] 陳敏.OPNET物聯(lián)網(wǎng)仿真[M].武漢:華中科技大學出版社,2014.

[3] 孫屹.OPNET通信仿真開發(fā)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[4] 費娟,許昌杰.基于OPNET的高校WLAN部署[J].通信技術(shù),2012,45(12):57-62.

Network Simulation and Analysis of Smart Household Based on OPNET

FANG Taotao, MA Xiaojun

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Combined with a general housing,this paper introduced the network design of smart household based on OPNET software.By using OPNET softare,ZigBee network topology structures were simulated.The important indicators including delay,throughput,packet loss rate,were compared.According the analysis results,the most suitable net topology of ZigBee network was selected.It has reference significance on optimization of smart home.

smart household; wireless network; OPNET software; simulation analysis

馬小軍(1956—),男,教授,研究方向為建筑智能化。

方濤濤(1991—),男,碩士研究生,研究方向為建筑智能化。

TU 855

B

1674-8417(2016)12-0001-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.12.001

2016-09-26