ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點(diǎn)干擾及性能影響仿真分析

劉清華，李清平

(浙江育英職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

ZigBee協(xié)議使用沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)作為媒體訪問機(jī)制，支持確認(rèn)機(jī)制ACK(acknowledge character)，保證傳輸可靠性，具有復(fù)雜度低、成本低、功耗低、速率低、時延短、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜痛罅烤W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、工作頻段靈活和安全可靠等特點(diǎn)[1]。

當(dāng)前對ZigBee協(xié)議棧的層次原理分析[2-4]及路由算法和優(yōu)化研究[5-6]較多，對利用ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)具體的工程應(yīng)用案例也不少[7]，但基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在性能仿真研究方面的工作較少，尤其是仿真環(huán)境下移動節(jié)點(diǎn)彼此之間的干擾和對整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響的研究還不多見。本文基于OPNET軟件對相關(guān)問題進(jìn)行了研究。

OPNET是由ItDecisionGuru、Modeler、Modeler/Radio三個模塊層層嵌套組成的一款通信仿真軟件，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)配置等。主要針對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化性價比，使用定量的方法獲取網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)，使用高級動畫實(shí)現(xiàn)仿真事件的可視化。OPNET提供3層建模機(jī)制，最上層為網(wǎng)絡(luò)模型，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的通信鏈路組成，可以建立仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。中間層為節(jié)點(diǎn)模型，由協(xié)議模塊和連接協(xié)議模塊的連線組成。最底層為進(jìn)程模型，由基于C語言的有限狀態(tài)機(jī)描述協(xié)議。3層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次一一對應(yīng)[8]。

1 仿真環(huán)境的部署和設(shè)計(jì)

1.1 仿真場景的搭建

ZigBee技術(shù)主要針對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、汽車自動化以及遙測遙控、醫(yī)療護(hù)理等應(yīng)用領(lǐng)域，適合數(shù)據(jù)吞吐量較小、傳輸距離較短、自組織、自愈能力較強(qiáng)的場合?；赯igbee技術(shù)的特點(diǎn)和適用場所，從架構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的原則出發(fā)，綜合考慮仿真環(huán)境的穩(wěn)定性、可重復(fù)性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、針對性，本文設(shè)置ZigBee仿真場景大小為2000 m×2000 m，4個子網(wǎng)分別為PAN 1、PAN 2、PAN 3和PAN 4，每個子網(wǎng)都包含3種仿真設(shè)備：1個ZigBee協(xié)調(diào)器、2個ZigBee路由器和2個ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，另外在PAN 1和PAN 2子網(wǎng)中還各有1個ZigBee移動節(jié)點(diǎn)，同時規(guī)劃了2個移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，如圖1所示。4個子網(wǎng)的PAN ID分別為1、2、3和4，移動節(jié)點(diǎn)設(shè)置為自動獲取PAN ID，子網(wǎng)及移動節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為2 mW，工作頻率為2450 MHz，接收靈敏度為-85 dBm。

1.2 進(jìn)程模型及節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)策略

OPNET利用IEEE802.15.4協(xié)議設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)程模型。網(wǎng)絡(luò)部署后，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)程都進(jìn)入初始化過程，由ZigBee協(xié)調(diào)器來完成。初始化完成后，中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)程收到中斷信號后從休眠狀態(tài)激活，ZigBee協(xié)調(diào)器立即調(diào)用MAC層進(jìn)行信道掃描。如果發(fā)現(xiàn)明確的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(PAN ID)，那么網(wǎng)絡(luò)層將確保給定的PAN ID不會與所選信道的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)PAN ID發(fā)生沖突；如果未能選到合適的信道，那么網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送錯誤標(biāo)志。掃描完后ZigBee協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層將設(shè)置0x0000的16位網(wǎng)絡(luò)地址并告知MAC層，指定信道上的網(wǎng)絡(luò)建立完畢后進(jìn)入激活狀態(tài)，等待處理回應(yīng)信標(biāo)請求幀和加入請求，以完成節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。仿真實(shí)驗(yàn)的流程如圖2所示。

1.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型

IEEE802.15.4協(xié)議定義了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)2種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備(full-function device，F(xiàn)FD)和簡化功能設(shè)備(reduced-function device，RFD)。FFD設(shè)備可充當(dāng)任何ZigBee設(shè)備，具備路由功能，可以與RFD或其他全功能設(shè)備通信，而 RFD設(shè)備只能為終端節(jié)點(diǎn)，不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能。

ZigBee協(xié)調(diào)器(coordinator)是啟動及配置網(wǎng)絡(luò)的FFD，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，可以看作是一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許存在一個ZigBee 協(xié)調(diào)器。

ZigBee路由器(router)是分配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部邏輯地址、建立和維護(hù)鄰居表等的FFD。在其通信范圍內(nèi)，允許其他節(jié)點(diǎn)直接加入或離開，并回收網(wǎng)絡(luò)地址，無需ZigBee協(xié)調(diào)器的指揮。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)允許存在多個ZigBee 路由器。

ZigBee終端設(shè)備(end device)一般是RFD，也可由FFD來充當(dāng)。其存儲器容量要求最少，可以用于ZigBee 低功耗設(shè)計(jì)，而且只與為其分配16位地址的父節(jié)點(diǎn)通信，從父節(jié)點(diǎn)處獲得信息。

1.4 移動節(jié)點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)

在不使用功率放大器的前提下，ZigBee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍一般在10～75 m之間[7]。當(dāng)前在ZigBee網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點(diǎn)的研究中，普遍存在設(shè)置路徑過長、能耗開銷過大等問題，另外在ZigBee節(jié)點(diǎn)的移動軌跡設(shè)計(jì)中，還需考慮由于移動節(jié)點(diǎn)之間信號彼此重疊而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能評估精度降低的問題。

在子網(wǎng)PAN 1和PAN 2中分別放置一個移動節(jié)點(diǎn)mobile_node_1和mobile_node_2，起始坐標(biāo)分別為PM1(188.31，443.67)和PM2(488.93，766.47)?？紤]數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用場合，設(shè)定2個移動節(jié)點(diǎn)均以10 km/h的速度勻速運(yùn)動。mobile_node_1從子網(wǎng)PAN 1出發(fā)，經(jīng)過表1所列的5個坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)入PAN 4，花費(fèi)時間 9 min 0.53 s。mobile_node_2由子網(wǎng)PAN 2出發(fā)，經(jīng)過表1所列的2個坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)入PAN 1，花費(fèi)時間 3 min 54.43 s。

表1 移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡參數(shù)

2 節(jié)點(diǎn)移動干擾影響

2.1 移動節(jié)點(diǎn)丟包情況分析

無線通信距離與發(fā)射功率、接受靈敏度和工作頻率相關(guān)。子網(wǎng)發(fā)射功率的絕對值為

Pz=10lgp

(1)

式中p為以mW為單位的功率值。

已知子網(wǎng)的發(fā)射功率為2 mW，則有

Pz=10lg2=3(dBm)

因此發(fā)射功率與接收靈敏度的差值為

3-(-85)=88(dB)

自由空間信號(光波或電磁波)傳播損耗LFSP(free space path-Loss)反映了信號在理想環(huán)境中(無干擾、無障礙)傳播時的損耗，其能量既不會產(chǎn)生反射或散射，也不會被障礙物所吸收?？諝庵锌山朴诶硐氕h(huán)境，信號傳播損耗為

(2)

式中：λ為信號波長，單位m；d為視距傳播距離，單位km；f為信號頻率，單位MHz；c為真空中的光速，近似于3×108m/s。

式(2)兩邊求對數(shù)，可得

20lgd+20lgf

(3)

已知f=2540 MHz，LFSP=88 dB，可得

d=0.224 35 km=244.35 m。

從仿真環(huán)境的部署可知各子網(wǎng)中終端節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，因此可以計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的直線距離D，如表2所示。

表2 終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的直線距離

從表2可以看出，每個子網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)與相鄰子網(wǎng)協(xié)調(diào)器之間的直線距離D>d，所以4個子網(wǎng)的信號覆蓋區(qū)域不會重疊，不會產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。同理，兩個移動節(jié)點(diǎn)mobile_node_1和mobile_node_2之間的起始距離D(M1-M2)=441.10(m)>d，所以剛開始時，兩個移動節(jié)點(diǎn)的通信信號也不會相互干擾。

仿真開始后，移動節(jié)點(diǎn)mobile_node_1和mobile_node_2分別花費(fèi) 9 min和 4 min左右的時間穿越全網(wǎng)，在此過程中兩個節(jié)點(diǎn)的丟包情況分別如圖3和圖4所示。

采用分帶指數(shù)法對所選15種微量元素進(jìn)行分析和計(jì)算(表4)。每一元素的分帶指數(shù)最大值所在的標(biāo)高，即為該元素在分帶系列中的位置，從而排出它們之間自上而下的分帶系列。再應(yīng)用變異性指數(shù)及變異性指數(shù)的梯度差(表5)，進(jìn)一步確定元素分帶系列中的先后順序[7-8]。

從圖3、4可以看出，當(dāng)經(jīng)過 1 min12 s的時候，mobile_node_1移到坐標(biāo)PM(1-1)(336.05，578.47)處，mobile_node_2移到坐標(biāo)PM(2-1)(385.57，595.24)處，此時兩移動節(jié)點(diǎn)的直線距離為52.28 m，而mobile_node_1離協(xié)調(diào)器Coordinator 1的距離是217.73 m，離協(xié)調(diào)器Coordinator 2的距離是214.78 m；mobile_node_2離協(xié)調(diào)器Coordinator 2的距離是212.72 m，離協(xié)調(diào)器Coordinator 1的距離是235.84 m。此時兩個節(jié)點(diǎn)都處在彼此子網(wǎng)信號覆蓋區(qū)域的邊緣，正準(zhǔn)備離開原子網(wǎng)而進(jìn)入到另一個子網(wǎng)，將瞬間中斷與Coordinator的直接通信，兩個節(jié)點(diǎn)的丟包率從此刻起開始大幅度上升。

當(dāng)經(jīng)過 1min21s時，mobile_node_1移到坐標(biāo)PM(1-2)(383.23，595.01)處，mobile_node_2移到坐標(biāo)PM(2-2)(372.90，574.25)處，此時兩個節(jié)點(diǎn)之間的直線距離最短，為23.19 m，信號相互干擾最嚴(yán)重，丟包率在此時達(dá)到峰值，之后隨著兩個節(jié)點(diǎn)的移動，彼此之間的距離逐漸拉大，移動節(jié)點(diǎn)的丟包率隨之降低。

在 1 min39 s左右，mobile_node_1和mobile_node_2分別進(jìn)入子網(wǎng)PAN2和PAN1，其丟包率隨即下降。隨后mobile_node_1繼續(xù)向前移動，于 4 min 30 s離開PAN2，5 min 6 s進(jìn)入PAN3，7 min 3 s離開PAN3，7 min 30 s進(jìn)入PAN4，這期間的丟包情況也遵循上述規(guī)律。

2.2 移動節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量分析

兩個移動節(jié)點(diǎn)穿越ZigBee網(wǎng)絡(luò)時的數(shù)據(jù)流量如圖5所示。

從圖5可以看出，移動節(jié)點(diǎn)mobile_node_2的總體數(shù)據(jù)流量要高于移動節(jié)點(diǎn)mobile_node_1，這是因?yàn)閙obile_node_2穿越子網(wǎng)的時間要少于mobile_node_1，在協(xié)調(diào)器發(fā)射頻率一致的情況下，單位時間內(nèi)mobile_node_2接受的數(shù)據(jù)流量要多。兩個移動節(jié)點(diǎn)在1 min 21 s和1 min 30 s同時達(dá)到數(shù)據(jù)接收流量的第一個峰值和谷值，此后mobile_node_2接受的數(shù)據(jù)流量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而mobile_node_1則分別于1 min 39 s、4 min 30 s和 7 min 3 s達(dá)到第二、第三和第四個峰值，于 1 min 48 s、4 min 57 s和 7 min 21 s達(dá)到第二、第三和第四個谷值。這與兩個移動節(jié)點(diǎn)離開原子網(wǎng)、進(jìn)入新子網(wǎng)和彼此最短距離相遇的時間基本吻合。

3 網(wǎng)絡(luò)性能影響分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)延遲情況

網(wǎng)絡(luò)延遲指報文開始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)到其開始離開網(wǎng)絡(luò)之間的時間。4個子網(wǎng)在移動節(jié)點(diǎn)穿越過程中的點(diǎn)對點(diǎn)延遲曲線如圖6所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量情況

吞吐量表示在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)(信道、接口)的數(shù)據(jù)量。圖7展示了節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中移動時子網(wǎng)的吞吐量變化情況。

從圖中可以看出，在開始的 1 min 12 s左右的時間內(nèi)，子網(wǎng)PAN1和PAN2的數(shù)據(jù)流量最大，這是因?yàn)樽畛鮾蓚€子網(wǎng)各有一個移動節(jié)點(diǎn)在提供額外的數(shù)據(jù)流量。在 1 min 30 s左右，兩個移動節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)入到新子網(wǎng)，子設(shè)備發(fā)送信標(biāo)請求的命令幀，父設(shè)備在收到請求連接的命令幀后，立刻檢查當(dāng)前資源能否繼續(xù)接收設(shè)備加入到PAN中。如果資源滿足，那么父設(shè)備將存儲子設(shè)備ID，并為子設(shè)備分配0x0000的16位網(wǎng)絡(luò)地址，同時向子設(shè)備發(fā)送有處理數(shù)據(jù)的ACK應(yīng)答幀；如果資源不能滿足需求，那么父設(shè)備就直接發(fā)送無處理數(shù)據(jù)的ACK應(yīng)答幀。子設(shè)備在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行等待，若收到有處理數(shù)據(jù)的ACK應(yīng)答幀，則更新其父設(shè)備地址信息、網(wǎng)絡(luò)地址和PAN ID；若收到無處理數(shù)據(jù)的ACK應(yīng)答幀或在設(shè)定的時間內(nèi)沒有得到響應(yīng)，則子設(shè)備退出。這段時間內(nèi)移動節(jié)點(diǎn)未能給子網(wǎng)提供數(shù)據(jù)流量，子網(wǎng)的吞吐量迅速降低。同樣的情況反映在移動節(jié)點(diǎn)mobile_node_1進(jìn)入和退出子網(wǎng)PAN3和PAN4。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用OPNET軟件對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點(diǎn)在漫游過程中彼此之間的干擾以及對各個子網(wǎng)的性能影響進(jìn)行了仿真分析，部署了仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)了移動軌跡，從丟包率和數(shù)據(jù)流量分析了移動節(jié)點(diǎn)相互干擾的情況，從網(wǎng)絡(luò)延遲和吞吐量分析了移動節(jié)點(diǎn)漫游ZigBee網(wǎng)絡(luò)時對子網(wǎng)的性能影響以及產(chǎn)生的原因。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)移動節(jié)點(diǎn)的空間直線距離大于視距傳輸距離時，節(jié)點(diǎn)之間的通信信號不會相互干擾。

2)移動節(jié)點(diǎn)在離開原子網(wǎng)進(jìn)入新子網(wǎng)時，節(jié)點(diǎn)的丟包率開始大幅上升。

3)移動節(jié)點(diǎn)的空間直線距離最短時，丟包率達(dá)到最高峰值。

4)網(wǎng)絡(luò)延遲和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的波峰值和波谷值與移動節(jié)點(diǎn)離開原子網(wǎng)、進(jìn)入新子網(wǎng)以及節(jié)點(diǎn)間交匯的時間節(jié)點(diǎn)密切相關(guān)。

本文研究的ZigBee移動節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，更多移動節(jié)點(diǎn)相互之間的干擾和對網(wǎng)絡(luò)性能的影響更為復(fù)雜，這是今后進(jìn)一步深入探索的方向。