中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室 中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院　楊建旭中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院　姚愛琴　孫運強

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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)與動態(tài)測試教育部重點實驗室 中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院楊建旭
中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院姚愛琴孫運強

【摘要】ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線傳感器網(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，順應(yīng)了市場需求，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。通過使用OPNET仿真軟件對ZigBee協(xié)議的三種拓撲結(jié)構(gòu)進行建模，分析端對端延時、網(wǎng)絡(luò)吞吐率和協(xié)調(diào)器吞吐率等性能指標(biāo)，得出三種拓撲結(jié)構(gòu)適用情形。

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

0　引言

近年來無線傳感器網(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)生等多個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量靜止或移動的廉價微型傳感器組成的多跳自組織無線網(wǎng)絡(luò)。面對十幾年來出現(xiàn)的大量WSN標(biāo)準(zhǔn)，國際標(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"，它與藍牙不同，具有低功耗、自組織以及低數(shù)據(jù)速率等特點，是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用(Sensor and Control)[1]。

1　ZigBee技術(shù)

藍牙技術(shù)作為短距離無線通信技術(shù)之一，在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。藍牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。比如在工業(yè)、家庭自動控制和遙測遙控領(lǐng)域，藍牙技術(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)議解決了上述問題，ZigBee協(xié)議具有一下特點[2]：

（1）低功耗：兩節(jié)五號電池可以使用1年左右的時間；

（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）短時延：加入網(wǎng)絡(luò)時間、通信時延以及從休眠時延都是毫秒級；

（6）高容量：最多可以組成65000個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)；

（7）高安全性：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對稱密碼，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（Router）以及終端節(jié)點（End Device）。

圖1　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

1.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種拓撲結(jié)構(gòu)[3]：星型拓撲、樹形拓撲和網(wǎng)狀拓撲，如圖1所示。

2　Opnet仿真

圖2　OPNET 三種拓撲圖

圖3　仿真結(jié)果

近年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，進行網(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，對研究對象進行抽象并建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)方法求出模型的最優(yōu)解；

（2）實驗法，就是用實驗的方法建立相似環(huán)境進而對其進行研究；

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

2.1仿真簡介

分析法和實驗法都存在很大的局限性，仿真法可以彌補這兩種方法的不足。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。OPNET Modeler采用三層建模機制，分別為進程模型、節(jié)點模型以及網(wǎng)絡(luò)模型。

NS2(Network Simulator, version 2)是開源并免費的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，使用C++和Otcl作為開發(fā)語言，對于初學(xué)者來說，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，也是免費并開源的多協(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，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200mX120m場景[5]，分別為：star、tree和mesh。三個場景的節(jié)點數(shù)及類型完全相同，分別對應(yīng)ZigBee的星型、樹狀及網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

所有節(jié)點的發(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)識符自動分配，數(shù)據(jù)包發(fā)送開始時間為10～11s之間的隨機數(shù)，數(shù)據(jù)包發(fā)送停止時間為仿真結(jié)束時，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)點的網(wǎng)絡(luò)類型三個場景分別設(shè)置為：Star Network、Tree Network以及Mesh Network。以整個網(wǎng)絡(luò)的MAC層吞吐量、協(xié)調(diào)器節(jié)點的吞吐量以及應(yīng)用層端到端延時作為網(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，樹狀網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)最差。對于應(yīng)用層的端到端延時，星型網(wǎng)絡(luò)的延時最小，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)排其次，樹狀網(wǎng)絡(luò)延時最大，但都在毫秒級別。對于協(xié)調(diào)器的吞吐量，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)最小，樹狀網(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ZigBee技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)做了簡單介紹，在OPNET平臺上對ZigBee三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)用層端到端延時表現(xiàn)出色，而對于一些規(guī)模大的網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)會出現(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

[1]趙艷玲,歐陽國軍.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,2015,31(4):65-70.

[2]李君茹,李雯瑞.基于opnet的zigbee拓撲結(jié)構(gòu)仿真分析研究[J].信陽農(nóng)林學(xué)院學(xué)報,2014,24(2):113-116.

[3]王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(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)拓撲性能仿真研究[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報,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：檢測技術(shù)與自動化裝置。

姚愛琴（1969—），女，博士，副教授，主要研究方向：動態(tài)測試技術(shù)、遙控遙測技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)。

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