高寒山地条件下地面传感侦察系统组网技术研究

崔建峰+梁陇成

摘 要：南疆喀喇昆仑山脉一线地属高寒山地，地形复杂、高寒缺氧，地面传感侦察等信息化装备在该地域往往会遇到通信能力减弱、生命周期缩短、维护保养不便等难题，为克服上述困难，文章采用的ZigBee组网技术是一种低速率、低功耗、自组性强的无线通信技术，能够适应在高寒山地条件下的实时侦察需求。文中重点对基于ZigBee技术的地面传感侦察系统的组网性能进行了研究，并通过OPNET仿真实验，验证了ZigBee网络具有良好的自组性和自适应能力。

关键词：高寒山地；ZigBee；传感侦察系统；OPNET仿真

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）10-00-04

0 引 言

无线传感器网络源于军事应用，目前已在国内外军事领域被广泛使用。它可以用作战场态势感知，使作战单位对敌在前沿阵地及纵深活动的情况实时掌握。比如通过飞行器或自动化装备将大量传感器节点布设在相关地域，这些节点可以自组成网，将战场信息收集、融合并传输至指控中心，为其提供准确情报。

1 研究背景及意义

喀喇昆仑山脉一带，地处高寒山地，该地区的平均海拔在5 000米以上，含氧量仅为平地的45%左右，极寒缺氧的天气和沟壑纵横的地形严重影响了信息化装备的战技术性能，特别是对通信质量、电池使用寿命、硬件损耗的影响较大。

针对这些自然因素带来的难题，需要有一种能够适应这种高寒山地环境，低功耗、低成本、安全性能高的侦察系统来实时对任务区域进行监控侦察。ZigBee技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术，它功耗低、成本低、易应用，完全可以满足高寒山地监控侦察的需求。本文将设计一个基于ZigBee技术的地面传感侦察系统，构建一套可靠、实用的网络拓扑结构，并对基于ZigBee的地面传感侦察系统的网络性能在OPNET平台上进行仿真验证。

2 ZigBee技术

ZigBee是一种廉价的、低功耗的近距离无线双向通信技术，“ZigBee”一词来源于蜜蜂群的信息传递方式，当某个蜜蜂发现花粉位置时，会通过跳“ZigZag”形舞来通知其它蜜蜂。因为蜜蜂通过这种简捷的方式沟通，人们也就借此舞蹈来命名这种低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线通信技术。

2.1 ZigBee技术特点

ZigBee自组网技术具有以下特点：

（1）低功耗。当ZigBee网络的某个节点处于待机低耗能模式下，2节5号干电池可支撑其工作6～24个月，蓝牙则可以工作数周，WiFi可以工作数小时。

（2）低成本。ZigBee协议一般比较简洁实用，其成本不足蓝牙的1/10，对处理器的要求也随之降低。

（3）低速率。其传输速率为250 Kb/s，完全符合低速率传输的应用需求。

（4）近距离。相邻的两个节点之间，传输距离一般为10～100 m，若加大RF发射功率，可增加至1 km～3 km。如果是通过路由节点间接力通信，则可以更远。

（5）短时延。ZigBee网络的响应时间非常短，从休眠到唤醒一般只需15 ms，节点加入网络只需30 ms，非常节能省电。比较来说，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

（6）大容量。ZigBee网络可以采用分簇混合型网络拓扑，每个网络可以分为多个簇，而每个簇首可以管理多个子节点。这样就可以构建一个庞大的无线传感器网络，最多可以扩容到65 535个网络节点，ZigBee一般通过多跳的方式传输数据。

2.2 ZigBee网络架构

2.2.1 ZigBee网络的功能设备、节点类型以及拓扑结构

ZigBee网络包括全功能设备FFD（Full Function Device）和精简功能设备RFD（Reduced Function Device）两种功能类型的设备。全功能设备（FFD）的存储能力、计算能力和通信能力都比较强，它可以双向通信，协调发起网络，也可以起到路由的作用。精简功能设备（RFD）可用作终端设备，通常只需要采集数据并向路由节点和协调器传输，功能比较单一，内存和电路设计都比较节省，同时也降低了整个网络的成本。

ZigBee网络节点包括协调器 （ZigBee Coordinator）、路由节点（ZigBee Router）和终端设备（ZigBee EndDevice）三种。网络拓扑包括星形、网形和簇形三种结构，如图1所示。图1中从左到右依次是星形拓扑、网形拓扑和簇形拓扑。

图1 ZigBee网络拓扑结构

2.2.2 ZigBee路由协议

ZigBee路由协议主要包括：树形路由（Cluster tree Routing）和ZigBee距离矢量路由协议改进型（Zigbee Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing，AODVjr）。Cluster tree路由算法中，终端节点直接将数据发给其父节点，通过父节点来转发，所以初始延迟比较小，而且实现比较简单，但缺点是路由并非最佳，适应性较差；AODVjr路由算法通过路由发现，可以实现路由的最佳，但要建立路由表，能耗开销也相对大一些。

3 基于ZigBee技术的地面传感侦察系统设计

基于ZigBee的地面传感侦察系统，就是将ZigBee无线通信技术与无线传感器网络技术相结合，对监控区域或战场态势进行实时情报感知。ZigBee良好的自适应能力和低能耗低成本的特点可以有效克服高寒缺氧、地形复杂和补给困难等问题。

3.1 系统设计方案

3.1.1 总体架构

在任务区域，因为地形复杂、环境恶劣，需要布置多个探测节点以提高侦察的精度。所以本系统选择分布式主从节点模式，包括一个协调器和多个前哨探测节点，其中前哨探测节点由不同功能的父节点和子节点组成，对所属区域全方位监控侦察。

地面传感侦察系统主要包括前哨探测节点（传感器节点）、中继（汇聚节点）和数据处理终端（任务管理节点）三部分，其大体结构如图2所示。其中前哨探测节点为网络的最底层，由若干个FFD和RFD分为多个节点簇，FFD节点也就是父节点（主节点），主要是发挥路由加探测目标信息的作用；RFD节点为子节点，只用于探测感知目标信息。汇聚节点也就是整个侦察系统的协调器，通常只有一个汇聚节点。任务管理节点相当于一个小的指挥所，它负责将传输回来的信息进行接收和分析处理。

3.1.2 系统各节点的功能

前哨探测节点的主要功能分为两种情况：对于子节点RFD设备来说，它的主要任务就是通过自身携带的红外、振动、声音或是磁敏传感器采集进入监控区域的目标信息，包括目标的性质、数量、位置和运动方向等，将数据进行压缩处理后通过父节点传输至汇聚节点。对于父节点FFD设备来说，它是若干前哨探测节点的核心，也就是某个节点簇的簇首，主要起数据路由转发的作用，因为距离的原因，RFD设备的前哨探测节点通常不能直接将数据传输至汇聚节点，所以须经过父节点进行转发。同时，父节点还具有数据融合处理和压缩存储的功能，可以将节点簇内多个节点发来的信息进行甄别，重复的就进行融合压缩，而不需要将每个节点发来的信息都传输至汇聚节点。

图2 地面传感侦察系统网络结构

中继汇聚节点主要负责将探测节点传输过来的信息进一步融合处理后发送至任务管理节点，它与任务管理节点之间的通信依靠外部网络。所以，中继汇聚节点相当于一个桥梁纽带，它可以实现无线传感器网络和外部网络两种网络通信协议的转换，既可以将任务管理节点的指令通过各个父节点传达至网内的每个探测节点，也可以将前哨探测节点侦测到的信息实时反馈到任务管理节点。

任务管理节点主要的任务是将监控侦察到的信息进行接收，并通过信息处理分析后形成报告，以便对该区域采取相应的措施。

3.2 拓扑结构及路由协议

本文选择分簇（混合）型网络拓扑结构，分簇（混合）型网兼具星型网的简洁低功耗以及网型网的长距离传输等优点。它既可以满足基于ZigBee的地面传感侦察系统低功耗的需求，又可以实现在任务区域内大范围的布设多个探测节点的网络部署任务。

对于分簇（混合）型网络拓扑结构，随着ZigBee技术的不断发展，其路由算法也在不断改进，除了采用Cluster tree算法和AODVjr算法外，已经有研究人员结合两种算法的优点，提出了优化后的算法。本文提出的是一种基于最小跳数的分簇路由算法。主要是将分簇技术引入ZigBee网络，簇与簇之间采用AODVjr算法进行路由选择及数据传输，簇内则选择Cluster tree算法直接进行数据传输。该算法不仅可以使整个传感侦察系统在运行时选择最佳路径传输，而且网络内的诸多前哨探测节点只采用Cluster tree算法，从而极大地降低了整个传感侦察系统的能耗。同时，为了防止出现簇首路由节点负荷消耗过大而失效的情况，该算法还专门设置了备用节点。

4 网络仿真

OPNET 14.5版本支持三种ZigBee节点：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End_device），我们系统设计中的汇聚节点就担任协调器的角色，前哨探测节点中的父节点和子节点分别由路由器和终端设备来担任。

4.1 地面传感侦察系统稳定性仿真

接下来主要通过对端到端的时延（ETE）及数据量（Data Traffic Rcvd/Sent）来评测其稳定性。

可在2 km×2 km的范围内，构建一个office环境下的ZigBee模型，包括1个网络协调器、2个路由节点和2个终端节点，如图3所示。

图3 单个系统网络拓扑模型

网络拓扑模型构建好后，再对其参数进行设置。协调器的网络PAN ID固定为1，两个终端节点的目的地址设为Coordinator。统计量主要包括两个终端节点发送的业务量、目的节点接收数据以及端到端的延迟等信息。

运行仿真1个小时后，如图4所示，显示了在1个小时内Coordinator、 Router1、Router2、End_device1和End_device2的数据流量。Coordinator的数据流量恰好是Router1和Router2的总和，也是End_device1和End_device2的总和。说明没有丢包，而且网络进入稳定状态后，数据收发非常稳定。

图4 网络中5个节点的数据流量图

图5所示是路由及终端节点到协调器延迟的即时分布。从图上可以看出，在Coordinator发起和创建网络后，Router1比其它节点要较晚接入网络，Router1到End_device2的时延在0.018秒左右，其余3个节点端到端的时延基本在0.012秒左右。这是因为多跳的原因，End_device2等节点到Coordinator要经过Router1的转发。但总体来看，两种时延非常小，对研究地面传感侦察系统的稳定性不造成影响。

4.2 地面传感侦察系统容错性仿真

接下来我们仿真的场景是网络中某些节点失效或损坏，以验证其它节点能不能通过重启发现路由来重新组网。图6所示是在2 km×2 km的范围内，构建一个office环境下的ZigBee网络模型，它设置1个协调器Coordinator发起和创建网络，随机设置10个路由节点Router，2个终端设备节点End_device。

图5路由及终端节点到 图6随机设置的ZigBee

协调器的延迟（As Is） 网络模型

将各个节点和收集统计量配置完毕后，开始仿真，仿真持续时间30分钟后，将仿真后的数据流向情况可视化如图7所示。当网络趋于稳定后，多余的节点将进入休眠状态，其它工作节点的数据流向如图8所示。综合两幅图可以看出，在协调器Coordinator发起和创建网络后，10个路由节点Router和2个终端设备节点End_device均顺利加入了网络，趋于稳定后，根据基于最小跳数分簇路由协议，ZigBee网络协调器选择了最短最快的路径将数据传输至终端节点。End_device1是通过Router4来接收Coordinator发出的数据，End_device2是通过Router7来接收Coordinator发出的数据。

图7节点数据传输过程示意图 图8基于最小跳数分簇路由协

议网络节点数据链路图

End_device1、End_device2与Coordinator的数据流量为图9所示，趋于稳定后，Coordinator收到的数据为3000b/s，End_device1和End_device2均为1 000 b/s。End_device1、End_device2到Coordinator的ETE图见图10。时延基本在0.016 s左右，对系统运行不构成影响。

图9 两个终端节点与 图10 两个终端节点

协调器的数据流量图 到协调器的ETE

接下来，我们随机设置的10个路由节点Router中的5个停止工作（假定其失效或损坏），如图11所示，红色的叉表示该节点已经停止工作，而后重新仿真，验证系统的容错性。重新仿真30分钟，仿真后将节点连接情况可视化，如图12所示。

图11 部分节点停止工作情况 图12 部分节点停止工作

下网络拓扑图 情况下网络数据链路图

由以上可以看出，除了停止工作的5个Router节点外，其余Router节点和两个End_device节点均已加入到Coordinator发起和创建的网络。网络运行趋于稳定后，根据基于最小跳数分簇路由协议，如图13所示，Coordinator选择了最佳路径将数据传至End_device，其它节点可以休眠，以节省能耗。

图13 基于最小跳数分簇路由协议网络节点数据链路图

图14所示为End_device1、End_device2与Coordinator的数据流量图，图15为End_device1、End_device2到Coordinator的即时时延分布图。

图14 协调器与终端设备 图15 终端设备节点到协调器

节点数据流量图 的即时时延分布图

综合上面两幅图与节点未减少之前相比，终端设备节点的数据流量没有发生变化，协调器接收的数据流量减少，这是因为路由节点减少了，协调器接收的总量自然就减少了。

通过仿真，我们可以看到，即使在网络内部有部分路由节点停止工作的情况下，系统仍然能够自我修复，自动重新组网，说明系统具有较好的容错性和自我修复能力，适合在高寒山地的恶劣条件下使用。

5 结 语

本文结合工作实际，设计了基于ZigBee技术的一种地面传感侦察系统，重点研究了基于ZigBee的无线传感器组网技术。系统采用分簇（混合）型拓扑结构，优化了通信质量，扩展了侦察范围；提出了一种基于最小跳数的分簇路由协议，提高了数据传输效率，同时大大节约了能耗。利用OPNET软件，对高寒山地条件下的系统运行情况及地面传感侦察系统ZigBee组网的关键性能进行了仿真验证，主要包括系统ZigBee网络的稳定性和容错性。通过仿真，验证了该系统具有良好的稳定性和自适应能力。

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