基于OPNET的IEEE802.15.4无线簇树网络仿真

唐 忠， 王远东

(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142)

基于OPNET的IEEE802.15.4无线簇树网络仿真

唐 忠， 王远东

(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142)

簇树网络是一种典型的基于基础设施无线通信网络的拓扑结构，具有确定的通信路径和可预测的通信延迟，可用于实时性能要求较高的应用.目前无线簇树网络缺乏有效的仿真平台，为此,采用OPNET设计IEEE802.15.4簇树网络的节点模型及其分层协议，实现信标模式超帧中带时隙的CSMA/CA和GTS机制以及网络构建、应用数据的产生、路由和接收等功能.建立一个三层的簇树网络进行仿真实验，其结果表明:仿真模型支持协议规定的通信功能，正确地完成网络中设备间实时和非实时数据的发送和接收，可以用于无线簇树网络的研究和分析.

簇树网络； IEEE802.15.4； OPNET； 仿真模型； 仿真实验

簇树型网络是一种典型的基于基础设施无线通信网络的拓扑结构.它将整个无线网络划分为若干簇，每个簇包括一个簇首节点以及多个成员节点.簇首管理簇内的成员,调度簇内通信,转发簇间的信息.一个簇的簇首还可以是另一个簇的成员节点，从而构成一种树状的网络结构.簇树型网络具有确定的通信路径和可预测的通信延迟,有着较低的设备能耗和网络维护复杂度，并具有较好的扩展性[1].

然而无线簇树网络在实际应用中也存在着一定问题，例如簇的形成和管理、相邻簇间的通信干扰和冲突等.目前对无线簇树网络的研究相对较少.IEEE802.15.4[2]是一种低速无线个域网标准，提供了基于竞争和无竞争的数据链路层信道访问方法和物理层规范，支持Mesh、星型和簇树网络.我们将基于IEEE802.15.4标准，系统地研究簇树网络中存在的问题.

建模和仿真是无线网络研究和分析的一个重要手段，然而目前IEEE802.15.4簇树网络缺乏有效的仿真平台.常用的通信仿真工具，如OPNET、NS-2和OMNET++等的仿真模型库不支持IEEE802.15.4簇树网络；Zheng[3]和Chen[4]等完善了NS-2和OMNET++中的IEEE802.15.4模型，但只支持星型网络；Hurtado[5]和Jurcik[6]也分别扩展了OMNET++和OPNET 的仿真库以支持簇树网络，但缺乏详细的仿真模型资料.国内也没有这方面的研究，有关的仿真分析都是基于仿真工具的模型库，仿真的有效性存在问题.为更好地进行无线簇树网络研究，我们在OPNET仿真模型库和Jurcik等人工作的基础之上，建立了IEEE802.15.4簇树网络的仿真模型.该仿真模型支持IEEE802.15.4簇树网络的通信功能，可用于簇树网络性能、能耗等方面的分析和验证.

1 IEEE802.15.4簇树网络及其通信协议

IEEE802.15.4簇树网络(图1)，包含3类不同作用的设备：网络协调器用于组织、控制整个网络并作为网络的根节点；路由器(协调器)作为一个簇的簇首组织簇内通信，并转发簇间通信；端设备则作为簇中的叶子节点，用于现场信息的收发.

图1 IEEE802.15.4簇树网络

IEEE802.15.4物理层提供了3种频段：2.4 GHz、915 MHz和868 MHz，对应的传输速率分别为250 kbps、40 kbps和20 kbps，这些频段都基于DSSS直序扩频技术.物理层负责数据传输和发送、信道能量检测、链路质量检测、空闲信道

评估和信道频率选择等功能.

IEEE802.15.4 MAC层负责解析从物理层收到的数据包，并对来自网络层的数据包进行封装发送到物理层.MAC层协议支持信标(beacon)和非信标的操作模式.在信标操作模式中，协调器周期性地产生以信标开始的超帧；而非信标模式中，设备以无时隙的CSMA/CA方式通信.超帧是一种周期性的信道访问方式，它分为活动段和休眠段两部分，活动段又包括信标、竞争访问段(CAP)和非竞争访问段(CFP)(图2).CAP内采用带时隙的CSMA/CA信道访问机制，CFP内采用GTS(Guaranteed Time Slot)机制.超帧的活动段被划分为16个等长的时隙.簇首根据成员设备的申请分配GTS，一个超帧中最多可以有7个GTS.如果申请成功，设备就可以在所分配的GTS内周期地收发数据.MAC层参数可以设置超帧、活动段长度及超帧的开始时间等.

图2 IEEE802.15.4的超帧结构

IEEE802.15.4没有定义网络层和应用层，而由ZigBee[7]标准进行定义.ZigBee网络层完成网络的组建、寻址、路由、设备加入和离开等功能.簇树网络由网络层参数确定：Cm用于设置簇中包含的最多子节点数(Cm≤7)；Rm设置簇子节点中最大路由器数量；Lm设置网络的最大深度.网络层的地址分配和路由也由这些参数确定.应用层则定义了相应的应用对象和对应的数据通信和管理服务.

2 IEEE802.15.4簇树网络的OPNET仿真建模

2.1 节点模型

在基于OPNET的IEEE802.15.4簇树网络仿真模型中，包括网络协调器、路由器和端设备3种设备.3种设备的节点模型(如图3所示)中都包含应用层、网络层、MAC层和物理层模块，分别与通信协议的层次对应，同时还包含电池模块.应用层、网络层和电池采用处理器模块，MAC层采用队列模块，而物理层由无线接收器和发射器模块构成.不同设备的模块根据协议的定义在具体功能上具有差异.

图3 IEEE802.15.4簇树网络节点模型

2.2 应用层进程模型

仿真模型的应用层简化了ZigBee标准的定义，只完成设备实时(real time)和非实时(best effort)数据包的产生、发送、从网络层接收数据包和确认等功能.应用层进程模型包含初始(init)、空闲(idle)、发送实时数据(send RT)、发送非实时数据(send BE)、接收包(receive pck)等状态,如图4所示.应用层数据通信中的Start Time和Stop Time属性定义产生数据包的开始和终止时间，Packet Interarrival Time属性定义数据包产生的分布方式和参数，Packet Size定义数据包的大小.另外应用层还定义了用于网络仿真的端到端延迟、发送和接收数据等统计量.

图4 应用层进程模型

2.3 网络层进程模型

网络层的功能也经过简化，主要实现了对从应用层和MAC层收到的数据包的处理、转发、路由和设备地址检查等功能.

网络层进程模型包含初始(init)、空闲(idle)、从应用层接收数据包(from APPL)和从MAC层接收数据包(from MAC)等状态.如图5所示.模型定义了设备深度、Lm、Cm、Rm等属性.模型利用这些参数和协议规定的分级寻址机制完成设备地址检查和层次路由等功能.

图5 网络层进程模型

2.4 MAC层进程模型

MAC层进程模型(如图6所示)是整个仿真模型的核心，它支持信标通信模式，实现了带时隙的CSMA/CA和GTS两种信道访问机制的超帧.网络协调器和路由器负责发送各自簇中的信标、设置超帧、分配和维护GTS.模型分别为实时和非实时数据帧建立了FIFO缓冲区，网络层的数据包先在缓冲区中排队，然后由MAC层再发送到物理层.物理层收到的帧则经由MAC层直接传递给网络层.

模型的init状态用于初始化MAC层的通信参数.beacon状态中，网络协调器或路由器发送自己的信标，所有设备解析所收到的帧：如果是簇首信标则完成超帧的设置，并进行GTS申请、分配；如果是数据帧则向网络层传递.带时隙的CSMA/CA机制包含init_backoff、backoff_timer和CCA等状态，用于完成回退、CCA和发送等过程.gts_slot状态在设备所分配的GTS中完成实时数据的通信.所有功能由所设计的进程函数和OPNET库函数实现.周期性的信标、GTS等采用时间驱动，在对应的时刻产生中断.非实时数据和GTS申请等命令采用事件驱动，由事件产生中断.中断处理函数根据中断类型调用程序完成相应功能.

图6 MAC层进程模型

模型的MAC层属性规定超帧和活动段的长度、通信开始时间、CSMA/CA最大回退次数和最小回退指数、缓冲区大小等；GTS属性确定设备所需GTS的方向、数量、开始时间、停止时间和缓冲区等.模型还定义了与实时和非实时通信相关的统计量.

MAC层模型对信道扫描、设备关联、离开和加入等功能没有以原语方式实现，而是由人工设置完成，但这不影响模型的通信过程.

2.5 物理层和电池进程模型设计

物理层的无线接收器和发射器采用OPNET仿真库中的ZigBee物理层模型，使用2.4 GHz频率范围、250 kbps速率、QPSK调制技术，传输功率为1 mW.同时，还可以设置背景噪声、干扰、传输延迟、天线增益和比特错误率等属性.

电池模型(图7)用于计算数据收发过程中的能耗和剩余的电量，其属性包括电池的类型和初始的能量、不同通信过程中的单位能耗.

图7 电池模块进程模型

3 IEEE802.15.4簇树网络仿真与分析

3.1 仿真配置

IEEE802.15.4簇树网络仿真中PC为网络协调器，Router_1和Router_6为路由器，其余为端设备.网络层Lm和Rm为2，Cm为4.仿真网络的拓扑及设备地址定义如下：PC深度为0，设备地址为0；Router_1、Router_6和node_11、node_12为PC簇中成员，设备地址分别为1、6、11、12，父节点都为PC，深度为1；Router_1和Router_6也分别是各自簇的簇首，node_2～node_5、node_7～node_10分别为簇中端设备，设备地址

分别为2～5、7～10，深度均为2，父节点地址分别为1和6(见图8).

图8 IEEE802.15.4簇树网络仿真

仿真网络的应用层通信设置如表1所示，仿真通信包括网络协调器和端设备间以及不同簇端设备间的实时和非实时通信.包的间隔和大小都设为常量，仿真时间设为60 s.

3.2 仿真结果及分析

通过设定的统计量可以反映网络数据发送、接收、端到端延迟、电池能耗、网络负载、吞吐量、利用率、CSMA/CA回退及CCA、缓冲区占用、介质访问延迟以及物理层收发器工作的仿真结果.由于篇幅限制在此仅分析数据的发送和接收情况.从图9～图12中可以看出:所有数据包都在设定的时刻得到了发送，数据在网络中经过路由器转发，由目的设备成功接收.数据包的发送和接收是一一对应的.另外，可以看出数据的接收与发送时间存在一定的延迟，特别是第一个数据包，延迟更大.其原因在于路由器转发数据时，实时数据的到达时间与转发GTS的时间并不一致，非实时数据需要路由器在CAP中竞争信道，因此,都不能立刻发送.在网络启动时，簇首设备要发送信标,成员设备要向簇首申请GTS，之后才能开始数据通信，因此,第一个数据包的通信延迟较大.

表1 应用层通信设置

图9 应用层非实时数据的发送情况

图10 应用层非实时数据的接收情况

图11 应用层实时数据的发送情况

图12 应用层实时数据的接收情况

在仿真中也发现了通信过程中存在的问题.首先是通信冲突问题.如果不同簇超帧GTS的开始时间相同或相近、或与相邻信标的时间相同或相近，会导致实时通信间的冲突.这也是簇树型网络本身所存在的问题和今后研究的内容.实验中，若不同簇超帧的开始时间相同，由于各个簇都具有相同的超帧和活动段长度，其信标和GTS开始时间也都是相同，数据通信则会产生冲突.而如果将不同簇超帧和GTS起始时间错开，则可以避免这一问题.如前面的仿真结果是将PC、Router_1 和Router_6的超帧开始时间分别设为0.1、0.4和0.7 s，由于3个簇超帧长度都是0.983 s，活动段为0.123 s，因此,避免了通信间的冲突.另外，当设备通信量较大或数据包较大时，会造成发送设备或路由器缓冲区溢出而丢包.实验实时数据采用了小数据包，而非实时数据采用了较长的时间间隔，因此,避免了丢包现象.

4 结 论

基于OPNET平台对IEEE802.15.4簇树网络进行了建模和实现.在OPNET的节点层建立了IEEE802.15.4簇树网络的节点模型，在进程层对三种类型设备的通信协议进行了分层设计，其中的重点是MAC层超帧的组织、带时隙的CSMA/CA和GTS的通信过程.最后，建立了一个典型的3层簇树网络，并在此基础上对应用层的实时和非实时通信活动进行了配置和仿真.仿真结果表明:所设计的仿真模型可以实现IEEE802.15.4标准所规定的簇树网络组网、GTS申请分配、实时和非实时数据的发送、路由和接收功能，还可以完成数据通信、延迟、能耗、网络吞吐量、负载、利用率等方面的统计分析，可以作为对IEEE802.15.4簇树网络进一步研究和分析的工具.

[1] Jurcik P,Severino R,Koubaa A,et al.Real-time Communications over Cluster-tree Sensor Networks with Mobile Sink Behaviour[C].Embedded and Real-time Computing Systems and Applications,2008.RTCSA’08 14th IEEE International Conference on Washington:IEEE,2008:401-412.

[2] IEEE SA Standards Board.IEEE Std 802.15.4,Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPAN)[S].New York:IEEE,2006.

[3] Zheng J L,Lee M J.A Comprehensive Performance Study of IEEE802.15.4[C]//Phoha S,Porta T L,Griffin C.Sensor Network Operations,New York:Wiley-IEEE Press,2006:218-237.

[4] Chen F，Dressler F.A Simulation Model of IEEE802.15.4 in OMNeT++[C]//Proceedings of the 6th GI/ITG KuVS Fachgesprach Drahtlose Sensornetze.Aachen：[s.n.],2007:35-38.

[5] Hurtado-Lopez J,Casilari E,Ariza-Quintana A.Enabling IEEE802.15.4 Cluster-tree Topologies in OMNeT++[G]//Dalle Olivier,Wainer Gabriel A,Felipe Perrone L,et al.SimuTools,Harvard:ICST,2009:76.

[6] Jurcik P，Koubaa A，Alves M，et al.A Simulation Model for the IEEE 802.15.4 Protocol:Delay/Throughput Evaluation of the GTS Mechanism[C]//Modeling,Analysis,and Simulation of Computer and Telecommunication Systems,2007.MASCOTS ’07.15th International Symposium on.New York:IEEE，2007:109-116.

[7] ZigBee Alliance.Document 053474r14 ZigBee Specification[S].ZigBee Standards Organization Std.,2008-1-17.

Simulation of IEEE802.15.4 Wireless Cluster Tree Network Based on OPNET

TANG Zhong, WANG Yuan-dong

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

Cluster tree network is a kind of classic topology of infrastructure-based wireless networks.It provides deterministic communicating path and predictable delay and can be used in the applications that require high real-time performance.Because there is no available simulating platform for wireless cluster tree network,node model and its layered protocol of IEEE802.15.4 cluster tree network are designed based on OPNET.Beacon-enabled super-frame with slotted CSMA/CA and GTS,network constructing,application data generating,routing and receiving are implemented.A three layer cluster tree network is established for simulation.The result shows that the model supports the communication function specified by the protocol,sends and receives real-time and non-real-time data between devices correctly and can be used in the research and analysis of wireless cluster tree networks.

cluster tree network; IEEE802.15.4; OPNET; simulation model; simulating experiment

2013-09-22

唐忠(1968-)，男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事工业无线通信网络的研究.

2095-2198(2015)01-0082-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.01.017

TP393.1

A