ZigBee网络性能的仿真研究

中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 中北大学计算机与控制工程学院　杨建旭中北大学计算机与控制工程学院　姚爱琴　孙运强

ZigBee网络性能的仿真研究

中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 中北大学计算机与控制工程学院杨建旭
中北大学计算机与控制工程学院姚爱琴孙运强

【摘要】ZigBee技术是一种新兴的短距离无线传感器网络标准，ZigBee协议基于IEEE802.15.4标准，以低功耗、自组织、低成本以及体积小等特点，顺应了市场需求，广泛应用于各种领域。通过使用OPNET仿真软件对ZigBee协议的三种拓扑结构进行建模，分析端对端延时、网络吞吐率和协调器吞吐率等性能指标，得出三种拓扑结构适用情形。

【关键词】ZigBee；OPNET；网络性能

0　引言

近年来无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。无线传感器网络由大量静止或移动的廉价微型传感器组成的多跳自组织无线网络。面对十几年来出现的大量WSN标准，国际标准化组织定义了WSN的相关标准，IEEE802.15.4为其中之一。ZigBee标准规范基于IEEE802.15.4，ZigBee译为"紫蜂"，它与蓝牙不同，具有低功耗、自组织以及低数据速率等特点，是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用(Sensor and Control)[1]。

1　ZigBee技术

蓝牙技术作为短距离无线通信技术之一，在日常生活中得到广泛应用。蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。比如在工业、家庭自动控制和遥测遥控领域，蓝牙技术功耗大、加入网络慢、距离近以及组网规模比较小等其他缺陷。ZigBee协议解决了上述问题，ZigBee协议具有一下特点[2]：

（1）低功耗：两节五号电池可以使用1年左右的时间；

（2）低成本：以TI公司的CC2530为例，TI公司提供了完整的ZigBee解决方案，每块CC2530大约十几元；

（3）低速率：ZigBee提供三种数据速率，分别为：250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)；

（4）高可靠性：MAC层采用了CSMA/CA技术；

（5）短时延：加入网络时间、通信时延以及从休眠时延都是毫秒级；

（6）高容量：最多可以组成65000个节点的网络；

（7）高安全性：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES-128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

1.1ZigBee标准的设备类型

在IEEE802.15.4中定义了两种类型的设备：全功能设备（Full Function Device，FFD）和缩减功能设备（Reduced Function Device，RFD）。ZigBee网络基于此有三种设备角色：PAN协调器（PAN Coordinator）、路由节点（Router）以及终端节点（End Device）。

图1　ZigBee网络拓扑结构

1.2ZigBee网络拓扑

ZigBee网络支持3种拓扑结构[3]：星型拓扑、树形拓扑和网状拓扑，如图1所示。

2　Opnet仿真

图2　OPNET 三种拓扑图

图3　仿真结果

近年来网络技术飞速发展，进行网络技术的研究有多种方法，在网络迅速膨胀的今天，进行网络技术的研究一般有以下几种方法：

（1）分析法，对研究对象进行抽象并建立数学模型，利用数学方法求出模型的最优解；

（2）实验法，就是用实验的方法建立相似环境进而对其进行研究；

（3）仿真法，应用计算机技术依靠仿真软件分析仿真结果。

2.1仿真简介

分析法和实验法都存在很大的局限性，仿真法可以弥补这两种方法的不足。当前有许多优秀的仿真软件，其中有OPNET、NS2、Matlab、OMNeT++以及GloMoSim等[4]。

OPNET Modeler是OPNET软件三个模块之一，提供了建模、仿真以及分析的集成环境，并提供ZigBee模型库。OPNET Modeler采用三层建模机制，分别为进程模型、节点模型以及网络模型。

NS2(Network Simulator, version 2)是开源并免费的网络仿真软件，使用C++和Otcl作为开发语言，对于初学者来说，NS软件入门困难，所包含的模块涉及到网络技术的各个方面，但是可供查阅的资料比较少。

OMNeT++仿真软件基于离散事件，也是免费并开源的多协议网络仿真软件，具有很好的图形界面，可以使用C++进行编程。

OPNET Modeler不论在软件功能方面还是操作易用性方面都有很大的优势，因此得到广泛的使用。

2.2OPNET建模与仿真结果分析

建立工程，此工程有三个200mX120m场景[5]，分别为：star、tree和mesh。三个场景的节点数及类型完全相同，分别对应ZigBee的星型、树状及网状拓扑结构，如图2所示。

所有节点的发射功率设置为10mW，最大退避次数设置为4，传输带宽设置为2450MHz，PAN标识符自动分配，数据包发送开始时间为10～11s之间的随机数，数据包发送停止时间为仿真结束时，数据包发送间隔为0.5s，数据包大小为1024bit，协调器节点的网络类型三个场景分别设置为：Star Network、Tree Network以及Mesh Network。以整个网络的MAC层吞吐量、协调器节点的吞吐量以及应用层端到端延时作为网络的性能指标，仿真结果如图3所示。

从以上分析得出：相同的网络配置下，星型的网络相比其他两种MAC层的吞吐量小很多，网状网络排其次，树状网络表现最差。对于应用层的端到端延时，星型网络的延时最小，网状网络排其次，树状网络延时最大，但都在毫秒级别。对于协调器的吞吐量，网状网络最小，树状网络排其次，星型网络协调器的吞吐量最大。

3　结论

本文对ZigBee技术、无线网络仿真技术做了简单介绍，在OPNET平台上对ZigBee三种网络拓扑结构做了仿真研究，得出以下结论：在网络规模比较小的时候，星型网络以最小的MAC层吞吐量和应用层端到端延时表现出色，而对于一些规模大的网络，星型网络会出现网络瘫痪现象，网状网络表现最佳。

参考文献

[1]赵艳玲,欧阳国军.基于OPNET 的ZigBee网络性能仿真研究[J].广东农工商职业技术学院学报,2015,31(4):65-70.

[2]李君茹,李雯瑞.基于opnet的zigbee拓扑结构仿真分析研究[J].信阳农林学院学报,2014,24(2):113-116.

[3]王小强,欧阳骏,黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社,2012,5.

[4]马新华.基于opnet的zigbee网络拓扑性能仿真研究[J].西安邮电学院学报,2011,16(5):39-41.

[5]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

杨建旭（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向：检测技术与自动化装置。

姚爱琴（1969—），女，博士，副教授，主要研究方向：动态测试技术、遥控遥测技术以及现代通信技术。

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