畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于OPNET的ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游性能研究

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院鄭州輕工業(yè)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于 opnet 的 zigbee 網(wǎng)絡(luò) _ 無(wú)線漫游性能研究 _學(xué)生姓名 * 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 信息工程 08-1 班 學(xué) 號(hào) 200807070122 院 （系） 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 指導(dǎo)教師(職稱(chēng)) 123（講師） 完成時(shí)間 2012 年 5 月 25 日 鄭州輕工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)題目題目 基于基于 opnetopnet 的的 zigbeezigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游性能研究網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游性能研究 專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè) 信息工程信息工程 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào) 200807070122 姓名姓名 * 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料

2、等：主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：一一主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1熟悉 zigbee 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)；2對(duì) zigbee 網(wǎng)絡(luò)層研究分析；3應(yīng)用 opnet 仿真軟件；4分析 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游性能。二基本要求：二基本要求：1熟悉 zigbee 技術(shù)；2掌握 zigbee 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層的工作機(jī)制；3熟練運(yùn)用 opnet 仿真軟件仿真建模；4分析比較 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游性能。三主要參考資料：三主要參考資料：1有關(guān)無(wú)線通信技術(shù)的資料；2有關(guān) zigbee 網(wǎng)絡(luò)方面的資料；3有關(guān) opnet 仿真軟件的資料。完完 成成 期期 限：限： 2012 年 5 月 25 日指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師

3、簽簽名名： 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人簽名：專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人簽名： 年年 月月 日日目錄摘要.iabstract .ii1 緒論.31.1 選題背景.31.2 zigbee 技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究概況.32 zigbee 技術(shù)及其應(yīng)用.52.1 zigbee 無(wú)線技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹.52.2 zigbee 技術(shù)的特點(diǎn).72.2 zigbee 技術(shù)的優(yōu)勢(shì).82.3 zigbee 技術(shù)的應(yīng)用.93 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層.113.1 網(wǎng)絡(luò)層的功能.113.2 網(wǎng)絡(luò)新建.113.3 設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò).123.4 設(shè)備退出網(wǎng)絡(luò).143.5 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的發(fā)送與接收.143.6 網(wǎng)絡(luò)的漫游.164 opnet 網(wǎng)絡(luò)仿真.174.1 opnet 簡(jiǎn)

4、介.174.2 opnet 仿真步驟.174.3 opnet 仿真建模方法.185 仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析.205.1 仿真目標(biāo).205.3 仿真模型搭建.205.4 仿真模型的配置.225.4 仿真及結(jié)果分析.265.5 結(jié)論.29結(jié)束語(yǔ).30致謝.31參考文獻(xiàn).32基于 opnet 的 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于 ieee 批準(zhǔn)的 802.15.4 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)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(shí)支持地理定位功

5、能。本文主要介紹了 zigbee 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì) zigbee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行深入了解和研究，通過(guò)采用 opnet 仿真軟件對(duì) zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游的仿真和分析，研究了基于 opnet 的 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游性能，以提高 zigbee 網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。 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(shì)，其目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無(wú)線通信的應(yīng)用。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，zigbee 技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù)。有著廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞zigbee 技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)層；opnet；無(wú)線漫游based

6、on opnet zigbee network wireless roaming performanceabstractzigbee technology is a short-range, low complexity, low power, low data rate, low-cost two-way wireless communications technology, or wireless network technology, is approved by a group based on the ieee 802.15.4 wireless standard developed

7、 by the relevant network, security and application software technology, mainly for small business to carry data traffic can be embedded in a variety of devices, while supporting the geographic targeting.this paper describes the architecture and features of zigbee technology to an in-depth understand

8、ing and research, focusing on the network layer of the zigbee network through the use of the opnet simulation software simulation and analysis of the zigbee network wireless roaming based on opnet zigbee network wireless roaming performance,in order to improve the value of the zigbee network in prac

9、tical applications.zigbee technology continues to improve, it has low power, low cost, easy to use, a significant technical advantage, its target market is industrial, household and medical needs of low-power, low-cost wireless communication applications. for a variety of wireless communications tec

10、hnology, zigbee technology is the lowest power consumption and cost. has broad application prospects.key wordszigbee technology， network layer，opnet， wireless roaming1 緒論1.1 選題背景 過(guò)去若干年以來(lái)，通信技術(shù)快速發(fā)展，短距離無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一大熱點(diǎn)。各種網(wǎng)絡(luò)終端的出現(xiàn)、工業(yè)控制的自動(dòng)化和家庭的智能化等迫切需要一種具備低成本、低距離、低功耗和組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)線互連標(biāo)準(zhǔn)l。 隨著各種便攜式個(gè)人通信設(shè)備與家用

11、電器設(shè)備的增加，人們享受蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)的便利的同時(shí)，對(duì)短距離的無(wú)線與移動(dòng)通信又提出了新的需求，使得短距離無(wú)線通信異軍突起，包括無(wú)線局域網(wǎng)(wlan)、藍(lán)牙(blue-tooth)技術(shù)、無(wú)線保真(wifi)、超寬帶(uwb)以及 zigbee 技術(shù)等各種熱點(diǎn)技術(shù)相繼出現(xiàn)，均展現(xiàn)出各自巨大的應(yīng)用潛力。其中，低速率、低功耗、低成本的 zigbee 技術(shù)作為無(wú)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。zigbee 作為一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，正有力地推動(dòng)著低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) lr-wpan(low-ratewireless personal area network)的發(fā)展，可以廣泛

12、應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費(fèi)類(lèi)電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，將擁有廣闊的應(yīng)用前景。預(yù)計(jì)隨著 zigbee 技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，低速率應(yīng)用將日益廣泛，在我們的生活中扮演越來(lái)越重要的角色3。 zigbee 的提出彌補(bǔ)了短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用研究的空白，現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)成為研究的新熱點(diǎn)，在不久的未來(lái)，基于 zigbee 技術(shù)的產(chǎn)品將會(huì)形成一個(gè)新的浪潮，勢(shì)不可擋地席卷全球，而它的發(fā)展前景將同計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)一樣融入人們生活的每一個(gè)角落，給人們的生活帶來(lái)方便和快捷4。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(jì)。本文將結(jié)合當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)和 zigbee

13、的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì) zigbee 做詳細(xì)的研究和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。1.2 zigbee 技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究概況 國(guó)外對(duì) zigbee 技術(shù)的研究起步較早，研究也較成熟。zigbee 聯(lián)盟成立于2002年 8 月，為了推動(dòng) zigbee 技術(shù)的發(fā)展，chaddrcon、ember、freescale、honeywll、motorala、philaddrs 和 sansung 等公司共同成立了 zigbee 聯(lián)盟，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線節(jié)點(diǎn)公司和開(kāi)發(fā)商的加入，包括有許多 ic 設(shè)計(jì)、家電、通訊節(jié)點(diǎn)、addr 服務(wù)提供、玩具等廠商，目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含了 150 多家會(huì)員。并且還有許多廠商已將 zigbe

14、e 納入產(chǎn)品中5。 國(guó)內(nèi) zigbee 的研究起步較晚，國(guó)內(nèi) zigbee 模塊生產(chǎn)廠家一般都受芯片廠家數(shù)量等限制價(jià)格，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要由國(guó)外儀器所占領(lǐng)，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)成熟的自主研制的 zigbee 產(chǎn)品，只有一些研究性和簡(jiǎn)單應(yīng)用的文章出現(xiàn)于期刊雜志。到目前為止，國(guó)內(nèi)目前除了成都西谷曙光數(shù)字技術(shù)有限公司，真正將 zigbee 技術(shù)開(kāi)發(fā)成產(chǎn)品，并成功地用于解決幾個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題而外，尚未見(jiàn)到其它報(bào)道。不過(guò)隨著無(wú)線技術(shù)大趨勢(shì)的發(fā)展，很多高校和研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)著手無(wú)線組網(wǎng)、無(wú)線技術(shù)應(yīng)用方面的研究。特別是與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的近距離無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，如中科院計(jì)算所的寧波分所就在專(zhuān)門(mén)從事無(wú)線技術(shù)的研究

15、，主要側(cè)重于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，計(jì)算所自行開(kāi)發(fā)可低功耗的 cpu、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)拓補(bǔ)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理軟件、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器操作系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如浙江大學(xué)、山東大學(xué)、清華大學(xué)等6也在搞 zigbee 組網(wǎng)和應(yīng)用的研究，利用國(guó)外廠商的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和芯片建立 zigbee 網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于智能家居，無(wú)線抄表和物流管理方面。相信隨著無(wú)線技術(shù)研究的深入，會(huì)有更多的國(guó)產(chǎn) zigbee 和其他無(wú)線產(chǎn)品投入市場(chǎng)。2 zigbee 技術(shù)及其應(yīng)用2.1 zigbee 無(wú)線技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹 2.1.1 zigbee 概述 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(wú)線通信技術(shù)

16、或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于 ieee 批準(zhǔn)的 802.15.4 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)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(shí)支持地理定位功能。其目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無(wú)線通信的應(yīng)用。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，zigbee 技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù)。完整的 zigbee 協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。其中，物理層（又稱(chēng)實(shí)體層） 、mac 層、數(shù)據(jù)鏈接層，以及傳輸過(guò)程中的資料加密機(jī)制等都是由 ieee 所主導(dǎo)的。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層則由 zigbee 聯(lián)盟來(lái)完成。2.1.2 zig

17、bee 協(xié)議層 如圖 1-1 所示為 zigbee 的協(xié)議層，各層次的作用如下：圖 11 zigbee 協(xié)議層 a) 物理層：遵循 ieee 802.15.4 協(xié)議，是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著與外界直接作用的任務(wù)，控制 rf 收發(fā)器工作，采用擴(kuò)頻通信，信號(hào)傳輸距離為室內(nèi)50m，室外 150m。 b) mac 層：遵循 ieee 802.15.4 協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備間無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模 3 式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備為 16 位地址尋址。 c) 數(shù)據(jù)鏈路層：又可分為邏輯鏈路控制子層(llc)和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(mac)。ieee

18、802.15.4 的 llc 子層與 ieee802.2 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。 d) 網(wǎng)絡(luò)層：建立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)分配地址，保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò)的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的 aes-128 對(duì)通信加密。 e) 應(yīng)用層：應(yīng)用支持層維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，根據(jù)服務(wù)和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信，根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開(kāi)發(fā)。 2.2 zigbee 技術(shù)的特點(diǎn)自從馬可尼發(fā)明無(wú)線電以來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展

19、。例如:廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(3g)目的在于提供多媒體無(wú)線服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)從 ieee802.11 的 1mbit/s 到ieee802.11g 的 54mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。而當(dāng)前得到廣泛研究的 zigbee 技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線通信技術(shù)，這種無(wú)線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn): (1)低功耗：工作模式情況下，zigbee 技術(shù)傳輸速率，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，zigbee 節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，設(shè)備搜索時(shí)延一般為 30ms，休眠激活時(shí)延為 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15m

20、s。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得 zigbee節(jié)點(diǎn)非常省電，zigbee 節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如：電池種類(lèi)、容量和應(yīng)用場(chǎng)合，zigbee 技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間(工作時(shí)間+休眠時(shí)間)之比小于 1%的情況,電池的壽命甚至可以超過(guò) 10 年。 (2)低速率：數(shù)據(jù)傳輸速率只有 20250kb/s(2.4ghz)，40kb/s(915mhz)和20kb/s(868mhz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，能滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求。 (3)數(shù)據(jù)傳輸

21、可靠：zigbee 的媒體接入控制層(mac 層)采用 talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒(méi)有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。同時(shí) zigbee 針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 (4)網(wǎng)絡(luò)容量大：zigbee 低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。zigbee 定義了兩種

22、器件：全功能器件(ffd)和簡(jiǎn)化功能器件(rfd)。對(duì)全功能器件，要求它支持所有的 49 個(gè)基本參數(shù)。而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持 38 個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通話，可以按 3 種方式工作，分別為：個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用。一個(gè) zigbee 的網(wǎng)絡(luò)最多包括有 255 個(gè) zigbee 網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主控(master)設(shè)備，其余則是從屬(slave)設(shè)備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(network coordinator)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過(guò) 64000 個(gè) zigbee 網(wǎng)路

23、節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè) network coordinator 可互相連接，整個(gè) zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。 (5)有效范圍?。河行Ц采w范圍在 1075m 之間，但是可以擴(kuò)展到數(shù)百米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 (6)兼容性：zigbee 技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)(csma-ca)方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。 (7)安全性：zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無(wú)安全

24、方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來(lái)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接入控制清單(acl)來(lái)防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(aes)的對(duì)稱(chēng)密碼。aes 可以用來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。 (8)實(shí)現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計(jì)在 6 美元左右，很快就能降到 1.52.5美元，且 zigbee 協(xié)議免專(zhuān)利費(fèi)用。目前低速低功率的 uwb 芯片組的價(jià)格至少為 20 美元。而 zigbee 的價(jià)格目標(biāo)僅為幾美分。 (9)工作頻段靈活：用的頻段分別為 2.4ghz、8

25、68mhz(歐洲)及 915mhz(美國(guó))，均為免執(zhí)照頻段，具有 16 個(gè)擴(kuò)頻通信信道。相應(yīng)的，wsn 采取 2.4ghz工作頻段的特性將會(huì)更有利于 wsn 的發(fā)展。2.2 zigbee 技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 這里將幾種短距離無(wú)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 2-1 進(jìn)行說(shuō)明。從表中我們可以看出，無(wú)論是 zigbee 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、homerf 技術(shù)、ieee 802.11 技術(shù)、dect 技術(shù)，還是超寬帶技術(shù)以及rfid 技術(shù)，他們都有各自的特點(diǎn)，適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，他們之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)、相互補(bǔ)充，誰(shuí)也不能替代誰(shuí)，相信他們?cè)诓粩嗟母?jìng)爭(zhēng)中，會(huì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同發(fā)展，為人們的

26、生活需要提供更快捷、更方便的通信方式。表 2-1 幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較2.3 zigbee 技術(shù)的應(yīng)用 根據(jù) zigbee 本身的技術(shù)特點(diǎn)，它主要適用于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資少、網(wǎng)絡(luò)安全要求較高、不便頻繁更換電池或充電的場(chǎng)合，zigbee 聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括家庭和樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、醫(yī)用裝置控制和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等。 在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域，zigbee 技術(shù)將擁有廣闊的市場(chǎng)。它可以應(yīng)用于家庭的照明、溫度、安全、控制等各個(gè)方面。zigbee 模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機(jī)、門(mén)禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家電產(chǎn)品等，例如在燈泡中裝置 zigbee 模塊，則人們要開(kāi)燈，就不需

27、要走到墻壁開(kāi)關(guān)處，直接通過(guò)遙控便可開(kāi)燈。通過(guò) zigbee 終端設(shè)備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設(shè)備，或是通過(guò)遙控達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，提供家居生活自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。 在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和 zigbee 網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)，火警的早期檢測(cè)和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測(cè)和維護(hù)。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將借助于各種傳感器和 zigbee 網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確而且實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生做出快速的反應(yīng)，特別是對(duì)重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)和治療。 在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用

28、傳感器可以將土壤濕度、氮濃度、ph 值、降水量、氣溫、氣壓和采集信息的地理位置經(jīng)由 zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制設(shè)備，使農(nóng)民能夠及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。3 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層(nw k)是位于 mac 層與應(yīng)用層(apl)之間的一個(gè)協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過(guò)正確操作 mac 層提供的功能來(lái)向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(nlde)和管理服務(wù)實(shí)體(nlme)。 在 zigbee 協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)新建網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、退出網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由傳輸?shù)裙δ堋?.1 網(wǎng)絡(luò)層的功能zigbee 規(guī)

29、范定義的 nwk 層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)(nlde)和管理服務(wù)(nlme)，其邏輯模型如圖 3-1 所示。其中 nlde-sap 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。也就是說(shuō) nld e-sap實(shí)現(xiàn)兩個(gè) apl 層之間的數(shù)據(jù)傳輸：nlm e-sap 是 nwk 層給 apl 層提供的管理服務(wù)接口；mcps-sap 是由 mac 層提供給 nwk 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口；mlme-sap 是 mac 層提供

30、給 nwk 層的管理服務(wù)接口。zigbee 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)的主要功能有四個(gè)方面：構(gòu)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備加入已存在的網(wǎng)絡(luò)；已加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中退出；網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由。圖 3-1nwk 層模型3.2 網(wǎng)絡(luò)新建 新建網(wǎng)絡(luò)的功能只能由具有 zigbee 協(xié)調(diào)者能力的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，將其自身初始化為一個(gè)新的 zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者。在接收到上層新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)用后，該設(shè)備首先在所指定的信道上掃描。如果上層已經(jīng)確定了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí) pan id，那么網(wǎng)絡(luò)層將確保所給定的 pan id 不會(huì)與所選擇信道的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò) pan id 參數(shù)產(chǎn)生沖突。若發(fā)現(xiàn)存在沖突，那么，如果有可能則從給定的信道中選擇另外一個(gè)信道，在這個(gè)信

31、道中，所給定的 pan id 不與信道中的其他網(wǎng)絡(luò)沖突；如果選擇不到合適的信道，則網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。如果上層未指定 pan id，則網(wǎng)絡(luò)層在所選定的信道中選擇與任何已存在網(wǎng)絡(luò)不會(huì)沖突的 pan id 作為新建網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)。 一旦合適的信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí) pan id 確定后，網(wǎng)絡(luò)層將選擇 0 x0000 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。這樣在指定信道上的網(wǎng)絡(luò)就建好了，此時(shí)該網(wǎng)絡(luò)中只有協(xié)調(diào)者自身一個(gè)節(jié)點(diǎn)。3.3 設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)功能就是通過(guò)與已加入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者或路由器設(shè)備建立連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)設(shè)備與某一網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器連接后，將形成父子關(guān)系，前者為子設(shè)備，后者為

32、父設(shè)備。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(dòng)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(dòng)先將子設(shè)備加入到 pan 中，而后子設(shè)備再通過(guò)孤立點(diǎn)方式加入到 pan 中。下面對(duì)子設(shè)備主動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行闡述。 當(dāng)子設(shè)備接收到加入網(wǎng)絡(luò)命令后，如果子設(shè)備已經(jīng)同網(wǎng)絡(luò)連接，則返回出錯(cuò)標(biāo)志，否則嘗試連接其 pos 范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器。具體加入 pan的流程如圖 3-2 所示。圖 3-2 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。因而首先發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求命令，其 pos 范圍內(nèi)具有允許連接能力的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器接收

33、到該命令后都會(huì)發(fā)送各自的信標(biāo)幀；在這里采取時(shí)間最短的策略，子設(shè)備將加入最先接收到的信標(biāo)所對(duì)應(yīng)的 pan 中。但若一段時(shí)間未接收到信標(biāo)，則退出。 在獲取了要加入的父設(shè)備信息后，子設(shè)備向父設(shè)備發(fā)送連接請(qǐng)求命令。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。若資源滿足后，父設(shè)備將存儲(chǔ)子設(shè)備地址，并為子設(shè)備分配 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)生成連接響應(yīng)命令幀，向連接請(qǐng)求子設(shè)備發(fā)送有未處理數(shù)據(jù)的 ack 應(yīng)答幀；若資源不滿足，則直接發(fā)送無(wú)未處理數(shù)據(jù)的 ack 應(yīng)答幀。 子設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)等待接收來(lái)自父設(shè)備的 ack 應(yīng)答幀，接收到后判斷父設(shè)備是否有本設(shè)備的未處理數(shù)據(jù)，若無(wú)或在指定時(shí)

34、間內(nèi)未接收到 ack 應(yīng)答幀則退出。當(dāng)子設(shè)備判斷父設(shè)備有未處理數(shù)據(jù)，則向父設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令；父設(shè)備接收到該命令后，發(fā)送緩存的連接響應(yīng)命令幀；子設(shè)備接收到后，更新其設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址、pan id、父設(shè)備地址信息等參數(shù)。此時(shí)子設(shè)備就完成了加入 pan的整個(gè)過(guò)程。3.4 設(shè)備退出網(wǎng)絡(luò) 對(duì)于已連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備主要有兩種從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)連接的方式：子設(shè)備自身主動(dòng)要求斷開(kāi)連接；父設(shè)備要求某一子設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)連接。 子設(shè)備自身主動(dòng)要求斷開(kāi)連接。子設(shè)備首先檢查自身是否已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)，并且父設(shè)備是否與要斷開(kāi)連接的對(duì)象相同；接著子設(shè)備組織斷開(kāi)連接請(qǐng)求命令幀，并發(fā)送給父設(shè)備；注意按照 zigbee 協(xié)議規(guī)定，子設(shè)備在發(fā)送

35、了斷開(kāi)連接請(qǐng)求命令后，無(wú)論父設(shè)備是否做出斷開(kāi)連接響應(yīng)，子設(shè)備均將其父設(shè)備信息清空，表示子設(shè)備已經(jīng)從網(wǎng)絡(luò)中退出；當(dāng)父設(shè)備成功接收到斷開(kāi)連接請(qǐng)求命令時(shí)，在其鄰居表中檢查是否存在該子設(shè)備，若存在則將該子設(shè)備從鄰居表中移除。父設(shè)備要求某一子設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)連接。父設(shè)備首先檢查要斷開(kāi)連接的對(duì)象是否在其鄰居表中，若在則生成斷開(kāi)連接請(qǐng)求命令幀，并發(fā)送給指定子設(shè)備；與子設(shè)備主動(dòng)要求斷開(kāi)連接一樣，無(wú)論父設(shè)備是否收到子設(shè)備的應(yīng)答，都將該子設(shè)備從鄰居表中移除；當(dāng)子設(shè)備成功接收到斷開(kāi)連接命令后，將父設(shè)備信息清空。3.5 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的發(fā)送與接收 (l)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的發(fā)送 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的發(fā)送相對(duì)比較簡(jiǎn)單：首先，根據(jù)不同的報(bào)文類(lèi)型封

36、裝相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，其中報(bào)文的源地址為本設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址，目的地址為最終的目的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址；再調(diào)用 mac 層數(shù)據(jù)幀的封裝函數(shù)組織 mac 數(shù)據(jù)幀，其中數(shù)據(jù)幀的源地址為本設(shè)備地址，而目的地址是通過(guò)相應(yīng)的路由算法計(jì)算出來(lái)的下一跳節(jié)點(diǎn)的地址信息：幀組織好后，將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)，由下一跳節(jié)點(diǎn)來(lái)負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)發(fā)。 (2)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的接收mac 層成功接收到數(shù)據(jù)幀后，將去除幀頭、幀尾域，剩下數(shù)據(jù)載荷域作為網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳遞給網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層接收?qǐng)?bào)文的處理流程如圖 3-3 所示。3-3 接收處理報(bào)文流程 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層成功接收到網(wǎng)絡(luò)報(bào)文后，首先根據(jù)報(bào)文頭域檢查是否為合法的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，主要檢查報(bào)文類(lèi)型是否合法：若不是數(shù)據(jù)報(bào)文

37、或三種類(lèi)型的命令報(bào)文，則對(duì)該報(bào)文進(jìn)行報(bào)文出錯(cuò)處理。 當(dāng)為合法的命令報(bào)文時(shí)，取得具體的命令類(lèi)型，并根據(jù)不同的命令進(jìn)行相應(yīng)的命令處理、應(yīng)答。當(dāng)為合法的數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備沒(méi)有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，因此設(shè)備類(lèi)型不同，處理也不盡相同。對(duì)于自身是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備時(shí)，根據(jù)報(bào)文的目的地址域檢查該數(shù)據(jù)報(bào)文是否屬于自己的，若是，則將報(bào)文載荷域傳遞給上層，供上層處理：否則，丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)文。對(duì)于具有路由轉(zhuǎn)發(fā)能力的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器設(shè)備，若不是自己的數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)報(bào)文的目的地址和路由算法計(jì)算下一跳節(jié)點(diǎn)的地址信息，再調(diào)用 mac 層程序接口將該數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)；若是自己的數(shù)據(jù)報(bào)文同樣將報(bào)文載荷域傳遞給上層協(xié)議，由上

38、層來(lái)進(jìn)一步處理。3.6 網(wǎng)絡(luò)的漫游ap 是(wireless) access point 的縮寫(xiě)，即(無(wú)線)訪問(wèn)接入點(diǎn)。如果無(wú)線網(wǎng)卡可比作有線網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)卡，那么 ap 就是傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中的 hub，也是目前組建小型無(wú)線局域網(wǎng)時(shí)最常用的設(shè)備。ap 相當(dāng)于一個(gè)連接有線網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)的橋梁，其主要作用是將各個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)客戶端連接到一起，然后將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)(這正是 access point 名稱(chēng)的本義)。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在多個(gè) ap，且它們的微單元互相有一定范圍的重合時(shí)，無(wú)線用戶可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)移動(dòng)，無(wú)線網(wǎng)卡能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)附近信號(hào)強(qiáng)度最大的 ap，并通過(guò)這個(gè) ap 收發(fā)數(shù)據(jù)，保持不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接

39、，這就稱(chēng)為無(wú)線漫游。要想成功實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線漫游，除了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)外，能夠保證在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域都具有良好服務(wù)質(zhì)量的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)也十分關(guān)鍵。 4 opnet 網(wǎng)絡(luò)仿真4.1 opnet 簡(jiǎn)介opnet 最早是在 1986 年由麻省理工大學(xué)的兩個(gè)博士創(chuàng)建的，并發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模擬非常有價(jià)值，因此于 1987 年建立了商業(yè)化的 opnet。目前共有大概 2700個(gè) opnet 用戶，包括企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、儀器配備廠商，以及軍事、教育、銀行、保險(xiǎn)等領(lǐng)域。opnet 近幾年贏得的大量獎(jiǎng)項(xiàng)是對(duì)其在網(wǎng)絡(luò)仿真中所采用的精確模擬方式及其呈現(xiàn)結(jié)果的充分肯定。在設(shè)備制造領(lǐng)域，企業(yè)界如 cisco，運(yùn)營(yíng)商如 at&t，采用 op

40、net 做各種各樣的模擬和調(diào)試。在國(guó)防領(lǐng)域，主要被美國(guó)廣泛采用，其他國(guó)家大多低調(diào)處理。 opnet 軟件包主要由三個(gè)模塊組成：itdecisionguru 是領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用分析仿真工具，目標(biāo)是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，提高網(wǎng)絡(luò)可用性；modeler 在itdecisionguru 基礎(chǔ)上增加了建庫(kù)功能，可以幫助用戶設(shè)計(jì)和分析網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信協(xié)議；modeler/radio 在 modeler 基礎(chǔ)上又增加了對(duì)移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的支持。這三個(gè)模塊并非獨(dú)立，而是層層嵌套的，并采用同一用戶界面。這里主要介紹 modeler 的性能與仿真情況。 在 opnet 各種產(chǎn)品中，modeler 幾乎包含其他產(chǎn)品的

41、功能，針對(duì)不同的領(lǐng)域，它表現(xiàn)出不同的用途：(1)對(duì)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)。在某些業(yè)務(wù)達(dá)不到服務(wù)質(zhì)量要求的情況下，如網(wǎng)上交易、數(shù)據(jù)庫(kù)等業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間慢于正常情況，modeler 捕捉重要的流量進(jìn)行分析，從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器三方面找出瓶頸；(2)對(duì)于比企業(yè)網(wǎng)更復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)商(isp)網(wǎng)的模擬，modeler 焦點(diǎn)放在整個(gè)業(yè)務(wù)層、流量的模擬，使運(yùn)營(yíng)商有效查出業(yè)務(wù)配置中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，例如有哪個(gè)服務(wù)器配置不好，讓黑客容易進(jìn)攻，有哪些業(yè)務(wù)的參數(shù)配置不合適等情形；(3)針對(duì)研發(fā)的需求，modeler 提供了一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，使用戶能夠建立新的協(xié)議和配備，并且能夠?qū)⒓?xì)節(jié)定義并模擬出

42、來(lái)。4.2 opnet 仿真步驟使用 opnet 仿真步驟如圖 4-1 所示，大體可以分為以下 6 個(gè)步驟： 1.配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?2.配置業(yè)務(wù) 3.收集結(jié)果統(tǒng)計(jì)量 4.運(yùn)行仿真 5.調(diào)試模塊再次仿真 6.發(fā)布結(jié)果和拓?fù)鋱?bào)告 圖 4-1 modeler 仿真步驟 4.3 opnet 仿真建模方法 opnet 提供了高效而明晰的建模仿真工具，幫助用戶完成整個(gè)建模仿真過(guò)程。大致可分為三個(gè)過(guò)程：網(wǎng)絡(luò)模型的建立和配置、運(yùn)行仿真和分析結(jié)果。 1.網(wǎng)絡(luò)模型的建立和匹配 opnet 采用與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)一致的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用三層建模機(jī)制，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。 (1)進(jìn)程建模：是建模機(jī)制的最底層。在此層次中，

43、它會(huì)模擬單個(gè)對(duì)象的行為，使用有效狀態(tài)機(jī)來(lái)描述協(xié)議。進(jìn)程級(jí)對(duì)象，即模塊，它通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)描述模塊的行為。 (2)節(jié)點(diǎn)建模：互聯(lián)進(jìn)程級(jí)對(duì)象形成節(jié)點(diǎn)級(jí)的設(shè)備。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)模型其實(shí)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象（鏈路除外） 。它由一個(gè)或多個(gè)模塊組成，每一個(gè)模塊能夠生成、發(fā)送或從別的模塊接收數(shù)據(jù)包，以完成它在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的功能。(3)網(wǎng)絡(luò)建模：通過(guò)鏈路將設(shè)備互聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。它需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)有正確的拓?fù)涿枋觥Ｔ诔跏挤抡鏁r(shí)，首先要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編輯器提供的圖形化界面，完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。用戶可以利用 opnet 提供的模型庫(kù)等來(lái)配置自己的網(wǎng)絡(luò)，也可以根據(jù)需要建立新的模型或在已有效的模型基礎(chǔ)上修改。網(wǎng)絡(luò)模型建立好后，

44、便可以進(jìn)入節(jié)點(diǎn)編輯器，去定義網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的功能。節(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(guò)在進(jìn)程編輯器中對(duì)模塊進(jìn)行狀態(tài)描述和編程來(lái)實(shí)現(xiàn)它的功能的。之后，便可以定義和配置想收集的統(tǒng)計(jì)量，等待運(yùn)行仿真。 2.運(yùn)行仿真 整個(gè)系統(tǒng)的仿真模擬環(huán)境建立好后，便可通過(guò) opnet 提供的仿真工具來(lái)運(yùn)行仿真。opnet 利用它高效的仿真引擎、內(nèi)存管理系統(tǒng)和集成化的調(diào)試環(huán)境，使它的仿真效率和速度堪稱(chēng)卓著。 3.分析結(jié)果 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。在仿真過(guò)程中和仿真完成后，opnet 可以用動(dòng)畫(huà)來(lái)描述模型的行為。仿真結(jié)果也可以輸出到

45、電子表格中，大大簡(jiǎn)化了圖形的繪制和對(duì)時(shí)間序列的分析。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，為網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。7895 仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析5.1 仿真目標(biāo)本次仿真主要是研究在 zigbee 網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在通過(guò)具有多個(gè)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)的傳遞行為。通過(guò)分析移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile-node-1 在經(jīng)過(guò)子網(wǎng) pan 1、pan 2、pan 3 時(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和流量，更好地掌握研究 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游的性能。5.3 仿真模型搭建運(yùn)用 opnet 網(wǎng)絡(luò)仿真創(chuàng)建 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游模型，如圖 5-2 所示：圖 5-2 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游模型在這個(gè)場(chǎng)景中，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)子網(wǎng)，分別為 pa

46、n 1、pan 2、pan 3。在每個(gè)子網(wǎng)中都包含了 zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的三種不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)。其中每個(gè) pan 中都含有一個(gè)協(xié)調(diào)器(coordinator)、兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)( router)和兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)(end device)。為了更加清楚了解 zigbee 網(wǎng)絡(luò)模型，我們有必要先來(lái)熟悉一下 zigbee 的各種不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)。為了保證功能的完整性，同時(shí)出于減少功耗的考慮，ieee 802.15.4 定義了以下兩種設(shè)備10：1)全功能設(shè)備(full-function device，ffd)2)簡(jiǎn)化功能設(shè)備(reduced-function device，rfd)其中全功能設(shè)備可以與簡(jiǎn)化功能設(shè)

47、備或者其它全功能設(shè)備通信，而簡(jiǎn)化功能設(shè)備只能和全功能設(shè)備通信ffd 不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由器的功能。rfd 只負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)其進(jìn)行管理的 ffd，由該 ffd代替其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇等功能。簡(jiǎn)化功能設(shè)備是為非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(gè)全功能設(shè)備。因此，簡(jiǎn)化功能設(shè)備只消耗很少的資源和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。zigbee 標(biāo)準(zhǔn)在 ieee 802.15.4 設(shè)備規(guī)范的基礎(chǔ)上，從網(wǎng)絡(luò)層傳輸、管理的角度出發(fā)，定義了以下三種設(shè)備11 12;1) zigbee 協(xié)調(diào)器(zigbee coordinator)2) zigbee 路由器(zigbee r

48、outer)3) zigbee 終端設(shè)備(zigbee end device)。zigbee 協(xié)調(diào)器，即 ieee 802.15.4 定義的個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器，可以看作是一個(gè)無(wú)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(shí)符(pan identifier)，以及網(wǎng)絡(luò)工作的物理信道；同時(shí)，統(tǒng)籌并分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 16 位短地址。zigbee 協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備，并且一個(gè)zigbee 網(wǎng)絡(luò)有且只有一個(gè) zigbee 協(xié)調(diào)器。zigbee 路由器是一個(gè)全功能設(shè)備，在接入網(wǎng)絡(luò)后，它能獲得由 zigbee 協(xié)調(diào)器分配的一定的 16 位短地址空間。在其通訊范圍內(nèi)，

49、無(wú)需 zigbee 協(xié)調(diào)器的指導(dǎo)，它便可以允許其它節(jié)點(diǎn)直接加入或者離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，為節(jié)點(diǎn)分配 16 位短地址，并在節(jié)點(diǎn)退出后將地址收回，同時(shí)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各種數(shù)據(jù)分組的路由轉(zhuǎn)發(fā)。zigbee 終端設(shè)備，一般是簡(jiǎn)化功能設(shè)備，但也可以由全功能設(shè)備來(lái)充當(dāng)。zigbee 終端設(shè)備只能與為其分配 16 位短地址的的父節(jié)點(diǎn)通信，從父節(jié)點(diǎn)處獲得信息。圖 5-15.4 仿真模型的配置為了研究 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游性能，在剛開(kāi)始時(shí)，把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)mobile_node_1 放在 pan 1 旁邊，并把 mobile_node_1 中 pan id 的屬性設(shè)置為auto assigned，如圖 5-3 所示，使其能按照

50、設(shè)計(jì)最先加入 pan 1 然后是 pan 2，最后加入 pan 3。圖 5-3除移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 的 pan id 設(shè)置為隨機(jī)目標(biāo)(auto-assigned)外，其余的節(jié)點(diǎn)分別屬于各個(gè)子網(wǎng)，在它們加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它們會(huì)選擇給自己的 pan發(fā)送流量。如圖 5-4，5-5，5-6 所示。圖 5-4 pan 1 中的節(jié)點(diǎn)圖 5-5 pan 2 中的節(jié)點(diǎn)圖 5-6 pan 3 中的節(jié)點(diǎn)圖 5-7 子網(wǎng) pan 的設(shè)置而在對(duì) pan 的設(shè)置中，將三個(gè) pan 的發(fā)射功率都設(shè)置為 2mw，工作頻率為 2450mhz，如圖 5-7 所示。由 dbm=10log(p/1mw) (5-1)可得

51、發(fā)射功率 p=2mw=3.010dbm。移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 的接收靈敏度為-85dbm，圖 5-8 所示。圖 5-8 移動(dòng)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。 根據(jù)自由空間中信號(hào)傳播損耗公式： lfs(db)=32.44+20lgd(km)+20lgf(mhz) (5-2) 可得 d=0.24434km=244.34m又因?yàn)樵?pan 1和 pan 2中，end device 2的坐標(biāo)為(252.5，448.9)與coordinator 2的坐標(biāo)為(521，744)，如圖5-9。故他們的距離 d=398.97

52、m。圖 5-9 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)因?yàn)?dd，所以三個(gè)子網(wǎng) pan 的覆蓋區(qū)域不會(huì)重疊并會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 在通過(guò)三個(gè)子網(wǎng) pan 的覆蓋區(qū)域的時(shí)間約為 20分鐘。如圖 5-10 所示。從圖中可以看到移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 最初的坐標(biāo) 1為(187.7，447.9)，然后 mobile_node_1 以 2.236942 n/a 的速度，在經(jīng)歷了6m47.51s 后到達(dá)坐標(biāo) 2(472.4，739.5)，同樣的，mobile_node_1 在到達(dá)坐標(biāo) 3 之后最終到達(dá)坐標(biāo) 4，從圖中可以看出，mobile_node_1 的速度幾乎不變(勻速)，從坐標(biāo) 1

53、到坐標(biāo) 4 的過(guò)程中，mobile_node_1 總共花了 16m50.12s。圖 5-10 mobile_node_1 移動(dòng)過(guò)程5.4 仿真及結(jié)果分析5.4.1 執(zhí)行仿真仿真的目標(biāo)是觀察在不同條件下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的在三個(gè)子網(wǎng)中移動(dòng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)性能及傳遞行為，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到達(dá)不同子網(wǎng)時(shí)，子網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)量將會(huì)有不同的結(jié)果，分析結(jié)果并從中得出結(jié)論。打開(kāi) opnet，按照上面的設(shè)置對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行仿真并分析結(jié)果。5.4.2 分析仿真結(jié)果此次仿真可得出三種仿真結(jié)果，分別為：(1)mobile_node_1 的 pan 關(guān)聯(lián) ：從移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 在網(wǎng)絡(luò)中的軌跡中可以看出在前 4 分鐘，

54、mobile_node_1 加入子網(wǎng) pan 1，在 4 至 12 分鐘加入子網(wǎng) pan 2，到 12 分鐘左右離開(kāi) pan 2 然后加入 pan 3。圖 5-11 清晰地顯示了 mobile_node_1 的移動(dòng)過(guò)程。圖 5-11為了更具體地知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡，我們把 mobile_node_1 離開(kāi)子網(wǎng)的時(shí)間精確到秒，如圖 5-12 所示。圖 5-12由上圖我們可以精確地知道在 3 分 48 秒的時(shí)候移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile_node_1 離開(kāi)了子網(wǎng) pan 1，在 12 分 12 秒時(shí)離開(kāi)了子網(wǎng) pan 2。 (2)網(wǎng)絡(luò)的丟包情況分析：根據(jù)(1)的結(jié)論我們可以推導(dǎo)出，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)mobi

55、le_node_1 在離開(kāi)子網(wǎng) pan 1 而尚未到達(dá) pan 2 的覆蓋范圍和mobile_node_1 離開(kāi)子網(wǎng) pan 2 但尚未到達(dá) pan 3 的覆蓋范圍時(shí)，將會(huì)有丟包的現(xiàn)象出現(xiàn)。而實(shí)際仿真的結(jié)果圖像也恰恰驗(yàn)證了我們之前的推論，從圖 5-13中我們可以清楚地看到 mobile_node_1 出現(xiàn)的第一個(gè)丟包高峰是在 4 分鐘左右，此時(shí)正是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi) pan 1 但還未到達(dá) pan 2。同樣地，我們也可以很好地解釋了 mobile_node_1 為什么會(huì)在 12 分鐘左右出現(xiàn)第二次丟包高峰。圖 5-13(3)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)漫游時(shí)各個(gè)子網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量情況：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)mobile_node_

56、1 在網(wǎng)絡(luò)漫游時(shí)子網(wǎng) pan 1，2 和 3 收到的流量數(shù)據(jù)如圖 5-14 所示。從圖中我們可以清楚地看到，在 0 到 4 分鐘左右的時(shí)候，子網(wǎng) pan 1 的數(shù)據(jù)流量是最大的，這是因?yàn)樵谧畛跏撬幸粋€(gè)額外的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(mobile_node_1)給它提供了額外的數(shù)據(jù)流量。因此，在多出一個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，數(shù)據(jù)流量肯定也最大。同樣的情況發(fā)生在 pan 2、pan 3 中，當(dāng) mobile_node_1 轉(zhuǎn)到 pan 2，pan1 收到的流量下跌而 pan 2 收到的流量增加。在 12 分鐘左右時(shí)，類(lèi)似的事情再次發(fā)生在 pan 2 和 pan 3 中。圖 5-145.5 結(jié)論通過(guò)本次仿真，在 zigbee 網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在通過(guò)具有多個(gè)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)的傳遞行為。通過(guò)分析移動(dòng)節(jié)點(diǎn) mobile-node-1，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)過(guò)子網(wǎng) pan 1、pan 2、pan 3 時(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和流量，這樣更好地掌握研究 zigbee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線漫游的性能。結(jié)束語(yǔ)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我在查閱了大量有關(guān) zigbe