ZigBee網絡性能的仿真研究

中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 中北大學計算機與控制工程學院　楊建旭中北大學計算機與控制工程學院　姚愛琴　孫運強

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ZigBee網絡性能的仿真研究

中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 中北大學計算機與控制工程學院楊建旭
中北大學計算機與控制工程學院姚愛琴孫運強

【摘要】ZigBee技術是一種新興的短距離無線傳感器網絡標準，ZigBee協議基于IEEE802.15.4標準，以低功耗、自組織、低成本以及體積小等特點，順應了市場需求，廣泛應用于各種領域。通過使用OPNET仿真軟件對ZigBee協議的三種拓撲結構進行建模，分析端對端延時、網絡吞吐率和協調器吞吐率等性能指標，得出三種拓撲結構適用情形。

【關鍵詞】ZigBee；OPNET；網絡性能

0　引言

近年來無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）廣泛應用于軍事、智能交通、環境監控、醫療衛生等多個領域。無線傳感器網絡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絡。面對十幾年來出現的大量WSN標準，國際標準化組織定義了WSN的相關標準，IEEE802.15.4為其中之一。ZigBee標準規范基于IEEE802.15.4，ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍牙不同，具有低功耗、自組織以及低數據速率等特點，是一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制應用(Sensor and Control)[1]。

1　ZigBee技術

藍牙技術作為短距離無線通信技術之一，在日常生活中得到廣泛應用。藍牙技術盡管有許多優點，但仍存在許多缺陷。比如在工業、家庭自動控制和遙測遙控領域，藍牙技術功耗大、加入網絡慢、距離近以及組網規模比較小等其他缺陷。ZigBee協議解決了上述問題，ZigBee協議具有一下特點[2]：

（1）低功耗：兩節五號電池可以使用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提供三種數據速率，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；

（5）短時延：加入網絡時間、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個節點的網絡；

（7）高安全性：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

1.1ZigBee標準的設備類型

在IEEE802.15.4中定義了兩種類型的設備：全功能設備（Full Function Device，FFD）和縮減功能設備（Reduced Function Device，RFD）。ZigBee網絡基于此有三種設備角色：PAN協調器（PAN Coordinator）、路由節點（Router）以及終端節點（End Device）。

圖1　ZigBee網絡拓撲結構

1.2ZigBee網絡拓撲

ZigBee網絡支持3種拓撲結構[3]：星型拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲，如圖1所示。

2　Opnet仿真

圖2　OPNET 三種拓撲圖

圖3　仿真結果

近年來網絡技術飛速發展，進行網絡技術的研究有多種方法，在網絡迅速膨脹的今天，進行網絡技術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學模型，利用數學方法求出模型的最優解；

（2）實驗法，就是用實驗的方法建立相似環境進而對其進行研究；

（3）仿真法，應用計算機技術依靠仿真軟件分析仿真結果。

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。當前有許多優秀的仿真軟件，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、節點模型以及網絡模型。

NS2(Network Simulator, version 2)是開源并免費的網絡仿真軟件，使用C++和Otcl作為開發語言，對于初學者來說，NS軟件入門困難，所包含的模塊涉及到網絡技術的各個方面，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議網絡仿真軟件，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勢，因此得到廣泛的使用。

2.2OPNET建模與仿真結果分析

建立工程，此工程有三個200mX120m場景[5]，分別為：star、tree和mesh。三個場景的節點數及類型完全相同，分別對應ZigBee的星型、樹狀及網狀拓撲結構，如圖2所示。

所有節點的發射功率設置為10mW，最大退避次數設置為4，傳輸帶寬設置為2450MHz，PAN標識符自動分配，數據包發送開始時間為10～11s之間的隨機數，數據包發送停止時間為仿真結束時，數據包發送間隔為0.5s，數據包大小為1024bit，協調器節點的網絡類型三個場景分別設置為：Star Network、Tree Network以及Mesh Network。以整個網絡的MAC層吞吐量、協調器節點的吞吐量以及應用層端到端延時作為網絡的性能指標，仿真結果如圖3所示。

從以上分析得出：相同的網絡配置下，星型的網絡相比其他兩種MAC層的吞吐量小很多，網狀網絡排其次，樹狀網絡表現最差。對于應用層的端到端延時，星型網絡的延時最小，網狀網絡排其次，樹狀網絡延時最大，但都在毫秒級別。對于協調器的吞吐量，網狀網絡最小，樹狀網絡排其次，星型網絡協調器的吞吐量最大。

3　結論

本文對ZigBee技術、無線網絡仿真技術做了簡單介紹，在OPNET平臺上對ZigBee三種網絡拓撲結構做了仿真研究，得出以下結論：在網絡規模比較小的時候，星型網絡以最小的MAC層吞吐量和應用層端到端延時表現出色，而對于一些規模大的網絡，星型網絡會出現網絡癱瘓現象，網狀網絡表現最佳。

參考文獻

[1]趙艷玲,歐陽國軍.基于OPNET 的ZigBee網絡性能仿真研究[J].廣東農工商職業技術學院學報,2015,31(4):65-70.

[2]李君茹,李雯瑞.基于opnet的zigbee拓撲結構仿真分析研究[J].信陽農林學院學報,2014,24(2):113-116.

[3]王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京:化學工業出版社,2012,5.

[4]馬新華.基于opnet的zigbee網絡拓撲性能仿真研究[J].西安郵電學院學報,2011,16(5):39-41.

[5]陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004.

楊建旭（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術與自動化裝置。

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

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