【正文】 ...............17 OPNET 簡介 ...................................................................................17 OPNET 仿真步驟 ...........................................................................17 OPNET 仿真建模方法 ...................................................................18 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 5 仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析 ...............................................................................20 仿真目標(biāo) .........................................................................................20 仿真模型搭建 .................................................................................20 仿真模型的配置 .............................................................................22 仿真及結(jié)果分析 .............................................................................26 結(jié)論 .................................................................................................29 結(jié)束語 ..........................................................................................................30 致謝 ..............................................................................................................31 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................32 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 I 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 摘 要 ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于 IEEE 批準(zhǔn)的 無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全 和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。 有著廣闊的應(yīng)用前景。其中，低速率、低功耗、低成本的 ZigBee 技術(shù)作為無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)獲得廣泛的關(guān)注 [2]。研究 Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)， 可為下一步應(yīng)用打下良好理論基礎(chǔ)，方便進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計 。 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 4 并且還有許多廠商已將 ZigBee 納入產(chǎn)品中 [5]。特別是與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的近距離無線組網(wǎng)技術(shù)的研究和 應(yīng)用，如中科院計算所的寧波分所就在專門從事無線技術(shù)的研究，主要側(cè)重于無 線 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，計算所自行開發(fā)可低功耗的 CPU、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)組網(wǎng)拓 補(bǔ)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理軟件、無線網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器操作系統(tǒng)。其目標(biāo)市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層則由 ZigBee 聯(lián)盟來完成。 的 LLC 子層與 的相同，其功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸。例如 :廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò) (3G)目的在于提供多媒體無線服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)從 1Mbit/s到 的 54Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。對于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時間和總時間 (工作時間 +休眠時間 )之比小于 1%的情況 ,電池的壽命甚至可以超過 10 年。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。對全功能器件，要求它支持所有的 49 個基本參數(shù)。一個 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)最多包括有 255 個 ZigBee 網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，其中一個是主控 (Master)設(shè)備，其余則是從屬 (Slave)設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽 /沖突檢測 (CSMACA)方式進(jìn)行信道接入。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單 (ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。目前低速低功率的 UWB 芯片組的價格至少為 20 美元。 ZigBee 技術(shù)的優(yōu)勢 這里將幾種短距離無線通信技術(shù)的性能進(jìn)行比較，為了更加直觀的表述和比較他們，用表 21 進(jìn)行說明。它可以應(yīng)用于家庭的照明、溫度、安全、控制等各個方面。例如危險化學(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預(yù)報，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測和維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作 MAC 層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。其中 NLDESAP 是 NWK 層提供給 APL 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，用于將 APL 層提供的數(shù)據(jù)打包成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的 NWK 層；或者將接收到的 NWK 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給本節(jié)點(diǎn)的 APL 層。在接收到上層新建一個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)用后，該基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 12 設(shè)備首先在所指定的信道上掃描。 一旦合適的信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識 PAN ID 確定后，網(wǎng)絡(luò)層將選擇 0x0000 作為 16位的網(wǎng)絡(luò)地址，并通知 MAC 層，設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)地址。 設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接的方式有兩種：一種是子設(shè)備主動與指定的 PAN 進(jìn)行連接；另一種是子設(shè)備預(yù)先指定的父設(shè)備主動先將子設(shè)備加入到 PAN 中，而后子設(shè)備再通過孤立點(diǎn)方式加入到 PAN 中。 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 13 圖 32 子設(shè)備連接的基本流程 首先，子設(shè)備要獲取其 POS 范圍內(nèi)具有允許連接能力的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器的地址信息。父設(shè)備接 收到連接命令后，檢查當(dāng)前資源是否能夠再接收設(shè)備加入 PAN 中。此時子設(shè)備就完成了加入 PAN 的整個過程。 父設(shè)備要求某一子設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中斷開連接。網(wǎng)絡(luò)層接收報文的處理流程如圖 33 所示。對于自身是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備時，根據(jù)報文的目的地址域檢查該數(shù)據(jù)報文是否屬于自己的，若是，則將報文載荷域傳遞給上層，供上層處理：否則，丟 棄該數(shù)據(jù)報文。 AP 相當(dāng)于一個連接有線網(wǎng)和無線網(wǎng)的橋梁，其主要作用是將各個無線網(wǎng)絡(luò) 客戶端 連接到一起，然后將無線網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng) (這正是 Access Point 名稱的本義 )。目前共有大概 2700 個OPNET 用戶，包括企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、儀器配備廠商，以及軍事、教育、銀行、保險等領(lǐng)域。在國防領(lǐng)域，主要被美國廣泛采用，其他國家大多低調(diào)處理。 在 OPNET 各種產(chǎn)品中， Modeler 幾乎包含其他產(chǎn)品的功能，針對不同的領(lǐng)域，它表現(xiàn)出不同的用途： (1)對于企業(yè)網(wǎng)的模擬， Modeler 調(diào)用已經(jīng)建好的標(biāo)準(zhǔn)模型組網(wǎng)。 OPNET 采用與真實(shí)網(wǎng) 絡(luò)一致的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用三層建模機(jī)制，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。 (2)節(jié)點(diǎn)建模：互聯(lián)進(jìn)程級對象形成節(jié)點(diǎn)級的設(shè)備。它需要對網(wǎng)絡(luò)有正確的拓?fù)涿枋?。?jié)點(diǎn)是諸如路由器、交換機(jī)、工作站、服務(wù)器等設(shè)備，是通過在進(jìn)程編輯器中對模塊進(jìn)行狀態(tài)描述和編程來實(shí)現(xiàn)它的功能的。 仿真結(jié)束后，便可利用 OPNET 集成的分析工具，以參數(shù)曲線的形式直觀地顯示仿真結(jié)果，加以分析。 [7][8][9] 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 20 5 仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析 仿真目標(biāo) 本次仿真主要是研究在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，移 動節(jié)點(diǎn)在通過具有多個子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時的傳遞行為。其中每個 PAN 中都含有一個協(xié)調(diào)器 (Coordinator)、兩個路由節(jié)點(diǎn) ( Router)和兩個終端節(jié)點(diǎn) (End Device)。簡化功能設(shè)備是為非常簡單的應(yīng)用而設(shè)計的，不需要發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，并且一次都只能關(guān)聯(lián)到一個全功能設(shè)備。 ZigBee 協(xié)調(diào)器，即 IEEE 定義的個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器，可以看作是一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定網(wǎng)絡(luò)唯一的標(biāo)識符 (PAN Identifier)，以及網(wǎng)絡(luò)工作的物理信道；同時，統(tǒng)籌并分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 16 位短地址。 ZigBee 終端設(shè)備，一般是簡化功能設(shè)備，但也可以由全功能設(shè)備來充當(dāng)。如圖 54， 55， 56 所示。 圖 58 移動節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 的接收靈敏度 所以發(fā)射功率與接收靈敏度的差為： 3(85)=88dB。 移動節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 在通過三個子網(wǎng) PAN 的覆蓋區(qū)域的時間約為 20 分基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 26 鐘。 打開 OPNET，按照上面的設(shè)置對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行仿真并分析結(jié)果。 圖 512 由上圖我們可以精確地知道在 3 分 48 秒的時候移動節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 離開了子網(wǎng) PAN 1，在 12 分 12 秒時離開了子網(wǎng) PAN 2。 圖 513 (3) 移動節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)漫游時各個子網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量情況：移動節(jié)點(diǎn)mobile_node_1 在網(wǎng)絡(luò)漫游時子網(wǎng) PAN 1， 2 和 3 收到的流量數(shù)據(jù)如圖 514 所示 。在 12 分鐘左右 時， 類似的事情再次發(fā)生在 PAN 2 和 PAN 3 中。 ZigBee 技術(shù)還在不斷完善，它所具有的低功耗、 低成本、使用便捷等顯著的技術(shù)優(yōu)勢，使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 31 致謝 在鄭州輕工業(yè)學(xué)院度過的 4 年大學(xué)求學(xué)生涯，是我人生中一段難忘的回憶，它見證了我成長的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。導(dǎo)師 的 平 易近人，處處為學(xué)生著想的無私精神，讓我倍感親切。在這里，我也要向他們表示感謝，并祝他們以后工作順利，事業(yè)有成！ 最后，我要感謝我的