（电路与系统专业论文）基于ZigBee技术的智能路灯系统网络性能仿真分析[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于z i g b e e 技术的智能路灯系统网络性能仿真分析 专业：电路与系统 硕士生：蒋海洋 指导教师：黄晓副教授 摘要 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离无线通信技术，它的p h y 层和m a c 层由 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义，网络层、应用支持子层由z i g b e e 技术联盟制定。z i g b e e 技术具有低速率、低功耗及组网灵活等特点，在消费电子、智能家居、建筑自动 化、工业控制等领域具有广阔的应用前景。 道路照明是城市公共设施的重要组成部分，目前国内的道路照明系统大部分 没有采用网络化监控管理，只能以区域为单位对照明设备进行简单的开关灯控 制，这样的控制方法不能实时的获得每盏路灯的状况，也无法根据具体情况调整 路灯亮度，不能有效的节省电能。 由于需要监控的路灯数目比较多，在组建大型的z i g b e e 网络方面实际经验 还比较欠缺，本文在基于n s 一2 的平台上对基于z i g b e e 技术的智能路灯系统提出 解决方案并进行网络仿真，通过编写仿真场景脚本模拟实际的网络环境，在节点 性能配置方面进行摸索和改进，从开始把所有的节点设置为f f d 到将一半的节 点设置为r f d ，对多次仿真所得数据的进行处理和分析，确定了适合于智能路灯 系统的组网方式和优化的z i g b e e 节点性能配置方案，为项目的实施提供了充实 的理论基础。论文还就z i g b e e 路由协议的关键参数对网络性能的影响进行了仿 真分析，为项目实施时参数的设置提供理论指导。 关键字：z i g b e e 技术智能路灯系统网络性能n s 2 仿真 s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ni n t e l l i g e n ts t r e e tl a m p s y s t e m s n e t w o r kp e r f o r m a n c eb a s e do n z i g b e et e c h n o l o g y m a j o r ： c i r c u i ta n ds y s t e m n a m e ： j i a n gh a i y a n g s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o r h u a n g x i a o a b s t r a c t z i g b e et e c h n o l o g yi san e ws h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i t s p h y s i c a ll a y e r ( p r r y 3 a n dm e d i u ma c c e s s l a y e r ( m a c ) d e f i n e d i n i e e e 8 0 2 15 4 ，t h ez i g b e ea l l i a n c es e tt h es t a n d a r d sf o rn e t w o r kl a y e r ( n w k ) a n d a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ( a p s ) z i g b e et e c h n o l o g yi sc h a r a c t e r i z e db yi t sl o wd a t a r a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dn e t w o r kf l e x i b i l i t y w i t ht h e s ec h a r a c t e r sz i g b e e t e c h n o l o g yc a nb eu s e do nc o n s u m a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t ，i n t e l l i g e n th o m ec o n t r o l ， b u i l d i n ga u t o m a t i o n ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o na n d s on o r o a dl i g h t i n g s y s t e m sa r ei m p o r t a n tp u b l i ce s t a b l i s h m e n t s ，b u tn o wm o s t s y s t e m sh a v e n tr e a l i z en e t w o r km a n a g e m e n t ，j u s tp o w e ro no ro f ft h el a m p si na n a r e a t h i sm e t h o dc a n tk n o wa l lt h el a m p s s t a t u sa n da d j u s tb r i g h t n e s sw i t ht i m e c h a n g e s ，h a sap o o rp e r f o r m a n c ei ns a v ee l e c t r i c i t yp o w e r a st h en u m b e ro fl a m p si ns y s t e mi ss ob i g ，w ed i d n th a v ee n o u g he x p e r i e n c ei n c o n s t r u c ts ob i gs c a l ez i g b e en e t w o r k ，s ot h i sp a p e rc o n s i d e rai n t e l l i g e n tm o n i t o r s y s t e ms o l u t i o nw i t hz i g b e et e c h n o l o g ya n dn e t w o r ks i m u l a t i o nw a sn e e d e d t h i s p a p e rd i dt h es i m u l a t i o nw o r k so nn e t w o r ks i m u l a t i o n 一2 ( n s 一2 ) w h i c hi sa no p e n s o u r c es o f t w a r e as i m u l a t i o ns c e n es c r i p tw a sw r i t t e nt oi m i t a t et h er e a ls i t u a t i o n ， a n dm a n ys i m u l a t i o n sw i t hd i f f e r e n ta t t r i b u t eo f z i g , b e en o d e sw e r ed o n ef r o ms e t a l lt h ez i g b e en o d e sf f dt os e th a l fo ft h e mr f d w i t ha n a l y s et h et r a c ef i l e i i r e c o r d e d a ts i m u l a t i o np r o c e s s ，w ec h o o s eaz i g b e en o d ea t t r i b u t es c e n a r i ow h i c hh a d t h eb e s tn e t w o r kp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rd i ds i m u l a t i o n so fc h a n g i n gt h e z i g b e er o u t i n gp r o t o c o l sk e yp a r a m e t e r , a n da n a l y s et h en e t w o r k sp e r f o r m a n c e c h a n g e t h i sw o r ki su s e f u lw h e n t u t o rt h ep a r a m e t e rs e t t i n gi np r o je c tc o n d u c t i o n k e yw o r d s ：z i g b e et e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t s t r e e t l a m ps y s t e m ，n e t w o r k p e r f o r m a n c e ，n s - 2 i i i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蒋晦眸 日期：汐7 年 序 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被 查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或 其他方法保存学位论文。 新签名：易 日期：矿r 月夕日 |， 彳 易鼠 落、轹肌 签 椭吁 雠悻， 文 论 哆 位期学日 中山大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 z i g b e e 技术背景概述 随着信息技术的不断发展，无线通信网络在我们的生活中起到了越来越重要 的作用。近年来，无线通信技术的发展日新月异，新技术层出不穷，从目前广泛 使用的g s m 到方兴未艾的3g 无线通信技术，以及无线局域网的h o m e r f 、 8 0 2 1 1 系列到打造无限城市的w i m a x 技术，无线通信技术的发展使我们的生活 变得更加的便利。 根据通信距离的不同，目前的无线网络大致可以分为卫星通信网、无线广域 网( w a n ) 、无线局域网( w l a n ) 和无线个人局域网( w p 四类。其中，无线个 人局域网是最新发展的技术，也是发展最快的技术。目前实现无线个人局域网的 技术有很多，如蓝牙( b l u e t o o t h ) 、z i g b e e 、超宽带( u w b ) 等。这些短距离无线通 信技术的性能参数和应用对象相差很大，在不同的应用场合下各有优势。 z i g b e e 技术就是一种短距离、低速率、低复杂度、低功耗、低成本的无线 通信技术。早在2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 就专门成立了无线个人局域网工作组，致 力于定义无线个人局域网的无线通信协议，并于2 0 0 3 年1 0 月发布了针对低成本、 低功耗、低数据传输率应用的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准【l 】。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准制定了低 速无线个人局域网物理层和媒体接入控制子层的规范。 2 0 0 1 年8 月z i g b e e 联盟成立。2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三 菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入z i g b e e 联盟。2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟推出了z i g b e es p e c i f i c a t i o n 【2 】【3 1 ，为工业界统 一了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准之上的网络层和应用层规范。 如今，该联盟已有2 0 0 多家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导 体生产商、p 服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等，包括像h o n e y w e l l 、 e a t o n 和i n v e n s y sm e t e r i n gs y s t e m s 等工业控制和家用自动化公司，还有像m a t t e l 之类的玩具公司【4 】。z i g b e e 技术以其低功耗、低成本、低时延、网络容量大和安 全可靠等特点，正在工控、安保、监测、救难、家居等行业的应用中扮演着日益 重要的角色。 中山大学硕士学位论文 1 2 z i g b e e 技术的发展现状 z i g b e e 是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件 方面的技术规范。z i g b e e 规范在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的基础上定义了一个分层协 议，即z i g b e e 协议。基于z i g b e e 协议组建的无线网络，具有自组织、多路由、 动态拓扑的组网特点，一般称为z i g b e e 网络。 z i g b e e 网络具有以下的一些应用特剧5 【6 1 1 7 】： ( 1 ) 低功耗：z i g b e e 设备有激活和睡眠两种状态，可以进入睡眠状态几分钟 甚至几小时【8 1 ；与蓝牙等其他的无线网络技术相比，z i g b e e 设备具有极低功耗和 极长寿命的显著优点【9 1 ，两节普通五号电池就可以支持z i g b e e 设备长达6 个月 到2 年左右的使用时间； ( 2 ) 可靠性：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了 专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；信息在整个z i g b e e 网络中通过自动 路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性； ( 3 ) 低数据传输率：支持10 k b s - 2 5 0 k b s 的传输速率； ( 4 ) 时延小：z i g b e e 技术针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠 状态激活的时延都非常短； ( 5 ) 网络容量大：一个z i g b e e 协调器可支持多达6 5 5 3 5 个设备。 ( 6 ) 安全性：z i g b e e 技术针对不同的应用，提供了不同的安全策略，其对数 据的安全保护是在c c m 模式下执行a e s 1 2 8 加密算法【1 0 】。 ( 7 ) 工作频段灵活：使用频段为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 15 m h z ( 美国) ， 均为免执照频段。 由于z i g b e e 网络具有以上这些应用特点，再加上其低成本的应用优势，目 前z i g b e e 网络在一些简单的定位、仪表控制、灯具控制中已经取得了实际应用 的成功范例，并且正在将应用拓展到更多的领域。 z i g b e e 网络的应用领域主要包括： ( 1 ) 军事应用：军事应用是z i g b e e 网络技术的重要应用领域。无需架设网络 设施、可快速展开、抗毁性强等特点，使得z i g b e e 网络技术非常适用于复杂战 场环境中的通信。 ( 2 ) 传感器网络：传感器网络是一种特殊的自组织网络【l l 】。大量的微型传感 2 中山大学硕士学位论文 器构成自治的传感器网络，主要应用于工业控制、军事侦察、空间探索、智能建 筑等复杂环境下的检测、诊断、目标定位和跟踪。传感器网络在很多应用场合只 能使用无线通信技术，而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很 大，所以使用z i g b e e 网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。 ( 3 ) 紧急和临时场合：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打 击后，固定的通信网络设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站、卫星 通信地球站以及微波接力站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作。z i g b e e 网络技 术不依赖任何固定网络设施，具有独立组网能力和自组织特点，是这些场合通信 的最佳选择。 ( 4 ) 个人通信：无线个人局域网是z i g b e e 网络技术的另一应用领域。z i g b e e 网络不仅可用于实现p d a 、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信， 还可用于无线个人局域网之间的多跳通信。另外，z i g b e e 网络还可以与蜂窝移 动通信系统相结合，利用移动台的多跳转发能力，扩大蜂窝移动通信系统的覆盖 范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。 在z i g b e e 技术迅速拓展其应用领域的同时，如何解决z i g b e e 技术本身存在 的一些问题和进一步优化z i g b e e 网络性能也成为了研究的一个热点。 就z i g b e e 技术的研究现状来看，z i g b e e 规范及其应用仍在不断的发展和完 善之中，众多厂商、高校和研究机构都对z i g b e e 技术展现了极大的研究兴趣， 进行了大量的研究工作。当前研究的重点主要集中在z i g b e e 技术应用研究和产 品设计、z i g b e e 协议规范的研究及其完善两个方面。 从z i g b e e 技术的应用研究和产品设计方面来看，研究工作主要集中在以下 几个方面： ( 1 ) z i g b e e 芯片和产gi 鲥, f t l 2 】【1 3 】。目前，国际上z i g b e e 芯片的主要供应商有 三家，分别是德州仪器( t d 下属的c h i p c o n 公司、e m b e r 公司和飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 公司。 ( 2 ) z i g b e e 技术具体应用的研究。目前，己经有大量的研究者和厂商提出了 z i g b e e 可能的应用，例如z i g b e e 技术在楼宇自动化、工业控制、环境监测、智 能家居、传感器网络等领域的应用【1 5 】【1 6 】。 ( 3 ) z i g b e e 技术扩展。z i g b e e 技术与其他技术的结合是目前研究的一个热点， 中山大学硕士学位论文 如z i g b e e 技术与w e b 技术结合。另外，研究者对z i g b e e 网络与其他无线网络共 存的问题也进行了大量的研究工作，例如对z i g b e e 网络与蓝牙网络共存的研究 表明，需要采取一些措施来解决网络共存情况下蓝牙网络设备对z i g b e e 网络设 备的干扰。 从z i g b e e 协议规范的研究及其完善方面来看，z i g b e e 协议规范从推出至今， 已经有大量研究者对z i g b e e 网络的时间同步【1 7 】、安全机制、广播问题等进行了 研究，但目前仍然存在一些问题，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对z i g b e e 网络的应用配置和性能分析等问题的研究仍停留在起步阶段。 例如，广泛应用于网络仿真研究的开源工具n s 2 没有及时更新z i g b e e 协议的相 应的仿真模块，目前的仿真模块是2 0 0 4 年发布的，导致广大研究者对z i g b e e 网 络性能的仿真研究工作停留在较低的阶段，这方面的参考文献也比较少。 ( 2 ) z i g b e e 网络协议中存在着策略和算法优化的问题。由于z i g b e e 技术规范 推出时间相对较晚，规范本身存在一些空白之处，例如，路由方式选择的问题； 另外，z i g b e e 协议的改进也存在很大的研究空间，例如，如何进一步降低功耗 等。 ( 3 ) 无线自组织网络共有的问题也是z i g b e e 需要研究的。无线自组织网络 ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ，m a n e t ) 不需要固定的基础设施作支撑，是由一组带 有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治网络系统，具有无中 心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，目前已经广泛地应用于军事、传感器 网络个人通信等领域。由于z i g b e e 网络具有无线自组织网络的一般组网特点， 使得z i g b e e 技术可以作为无线自组织网络的一种实现技术，同时，无线自组织 网络研究的一般问题和一般方法也适用于z i g b e e 网络的研究。 从安全方面来看，由于无线自组织网络使用的共享无线信道存在着安全隐 患，使得无线自组织网络很容易受到攻击并且很难对攻击进行跟踪【1 8 】。从接入 控制来看，对接入公平性、多种网络共存、隐藏终端、暴露终端等问题虽然己提 出了很多技术和方法，但是依然没有得到完善的解决。 从能量控制来看，由于无线自组织网络的节点没有固定基础设施支持，因此 如何降低网络能量消耗，提高能量效率，以及如何避免网络分割和节点过早死亡 也是研究的重要问题。目前，降低网络能量消耗的主要方法包括选择性的调整节 4 中山人学硕士学位论文 点接收器到休眠状态、使用可调输出功率的发送器、采用节能型路由等等。 1 3本课题主要研究内容 由于z i g b e e 技术具有低速率、低功耗等特点，在消费电子、智能家居、建 筑自动化、工业控制等领域具有广阔的应用前景。针对目前传统的照明系统的不 足，考虑将z i g b e e 技术应用于路灯监控，组建智能路灯系统。本文提出了一种 基于z i g b e e 技术的智能路灯系统解决方案，并为方案的实施进行前期的仿真。 通过在n s 一2 平台上建立仿真场景，对仿真后得到数据进行处理，分析分组投递 率、平均端到端时延、平均跳数以及路由开销等几个关键网络参数的性能，确定 适合于智能路灯系统的合适的组网方式，为实际项目的实施提供理论基础和指导 性的建议。 1 4论文的组织和内容安排 论文可以分为六章： 第一章为绪论，简要介绍z i g b e e 技术的背景和特点，提出将z i g b e e 技术应 用于路灯监控。对本文的组织和结构进行介绍。 第二章主要介绍z i g b e e 技术的协议规范，z i g b e e 网络各层的功能以及 z i g b e e 网络的拓扑结构。 第三章介绍了本文的仿真平台n s 2 。简要介绍了n s 2 的发展历程，对n s 2 的仿真原理和仿真过程进行了详细的描述。 第四章提出基于z i g b e e 技术的智能路灯系统解决方案，对z i g b e e 组网进行 仿真，通过对关键网络参数性能的分析，确定了适合智能路灯系统的z i g b e e 组 网方式。 第五章探讨了z i g b e e 路由协议关键参数的改变对网络性能的影响，为实际 组网时合理设置网络参数提供理论依据。 第六章为结束语，对本文所做的工作进行总结，提出下一步工作的方向。 中山大学硕士学位论文 第2 章 z i g b e e 技术概述 2 1 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议概述 1 9 9 8 年3 月，i e e e 8 0 2 1 5 工作组成立。这个工作组主要致力于w p a n 网络 的物理层( p h y ) 和媒体接入控制子层( m a c ) 的标准化工作，目标是为在个人操作 空间( p e r s o n a lo p e r a t i n gs p a c e ，p o s ) 内相互通信的无线设备提供通信标准。p o s 一般是指用户附近1 0 米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的也可 以是移动的。在i e e e 8 0 2 1 5 工作组内有四个任务组( t g ) ，分别制定适合不同应 用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。四个任务 组t g l 、t g 2 、t g 3 、t g 4 各自制定了i e e e 8 0 2 1 5 1 标准、i e e e 8 0 2 1 5 2 标准、 i e e e 8 0 2 1 5 3 标准、i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，分别对应于蓝牙无线个人局域网标准、 研究i e e e 8 0 2 1 5 1 与i e e e 8 0 2 1 1 ( 无线局域网标准，w e a n ) 的共存问题、高传输 速率无线个人局域网标准以及低速无线个人局域网( l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ，l r 伊an ) 标准【1 9 】。 其中i e e e 8 0 2 1 5 4 标准把低成本、低功耗、低数据传输率作为重点目标， 旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。为了推出与 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准相配套的网络层及应用层的规范，z i g b e e 联盟制定了z i g b e e 规范【2 】【3 1 。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准为l r w p a n 网络制定了物理层和媒体接入控制子 层协议规范；在此基础上，z i g b e e 联盟制定了网络层和应用层协议规范，从而形 成了i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议。其中，应用层包含应用支持子层( a p p l i c a t i o n s u p p o r ts u b l a y e r ，a p s ) 、应用架构( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，a f ) ，z i g b e e 设备对 象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t s ，z d o ) 和厂商定义的应用对象。图2 1 为 i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 协议结构的示意图。 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议采用分层结构。每一层都包括数据实体和管理实 体两种服务实体，并且为其上一层提供一套明确的服务：数据实体提供数据传输 服务，管理实体则提供其他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点( s e r v i c e a c c e s sp o i n t ，s a p ) 为上层提供一个接口，每个服务接入点都提供一定数量的服 6 中山大学硕士学位论文 务原语命令来实现所需功能。服务原语是一个抽象的概念，仅仅表示提供的服务 内容，没有指明服务的提供者。由代表其特点的服务原语和参数的描述来指定一 种服务，一种服务可能有一个或多个相关的原语，这些原语构成了与具体服务相 关的执行命令。原语通常有4 类：请求原语、响应原语、指示原语、确认原语。 图2 - 1 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b c e 协议结构示意图 2 2 z i g b e e 网络各层功能概述 2 2 1 物理层 z i g b e e 物理层定义了2 4 g h z 与8 6 8 m h z ，9 1 5 m 生三种使用频段，其中 2 4 g h z 为全球通用无需申请的i s m ( i 业，科学和医学) 频段，被划分为1 6 个信 道，数据传输率为2 5 0 k b p s ；9 1 5 m h z 为美国免申请i s m 频段，分1 0 个信道，数 据传输率为4 0 k b p s ；8 6 8 m h z 为欧洲标准免申请i s m 频段，分1 个信道，数据传 输率为2 0 k b p s 。以上频段的数据传输都采用直序扩频技术( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) ，不同的是：前一种使用的是1 6 进制的正交调制( 0 一q p s k ) 方式，扩频 使用码片长度为8 的伪随机码：后两种则使用差分编码的二进制移相键控( b p s k ) 7 中山大学硕士学位论文 调制方式，扩频使用码片长度为1 5 的m 序列。各个具体频段的频率范围和使用 地区如表2 一l 所示。 表2 1 国家和地区z i g b e e 频率工作范围 工作频率范围m h z频段类型调制方式 比特速率k b p s 国家和地区 8 6 8 8 6 8 6i s mb p s k2 0 欧洲 9 0 2 j 9 2 8i s mb p s k4 0 北美 2 4 0 m 之48 3 5i s m o q p s k 2 5 0 全球 z i g b e e 物理层还定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，并提供两种 服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务实现了物理层协议数 据单元( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ，p p d u ) 在物理信道上的发送和接收。物理层管理 实体( p h yl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，p l m e ) 提供物理层管理服务，定义了物理层 管理功能得以执行的一些接口，同时，还负责维护物理层的个域网信息库( p a n i n f o r m a t i o nb a s e ，p i b ) 。物理层的结构模型如图2 2 所示。 图2 2 物理层结构模型 z i g b e e 物理层数据服务有以下几个方面的功能： ( 1 ) 激活和休眠射频收发器； ( 2 ) 信道能量检i 贝l j ( e n e r g yd e t e c t ，e d ) ； ( 3 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ； ( 4 ) 检测接收数据帧的链路质量情况( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ； ( 5 ) 过滤噪声； 8 中山大学硕士学位论文 ( 6 ) 收发数据； ( 7 ) 多信道的选择。 2 2 2m a c 层 z i g b e e 媒体接入控制子层的作用是实现协议高层与物理层之间的相互通信， 提供点对点通信的服务接入点。m a c 子层包括m a c 子层数据实体( m a c s u b l a y e rd a t ae n t i t y ，m l d e ) 和m a c 子层管理实体( m a cs u b l a y e rm a n a g e m e n t e n t i t y ，m l m e ) 。前者保证m a c 子层协议数据单元在物理层数据服务中的正确 收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库。m a c 层的结 构模型如图2 3 所示。 图2 3m a c 层的参考模型 z i g b e e 媒体接入控制子层主要负责完成以下几个方面的功能： ( 1 ) 负责设备间无线数据链路的建立、维护和释放； ( 2 ) 使用冲突避免的载波侦听多路复用技术( c s m a c a ) 进行信道访问； ( 3 ) 产生并发送信标帧( b e a c o n ) ，使得设备间可以根据信标帧取得同步； ( 4 ) 支持网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 年1 解除关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作； ( 5 ) 支持无线信道通信安全和各种网络结构； ( 6 ) 支持时槽保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制，实现低延迟传输。 9 中山人学硕士学位论文 2 2 3 网络层 在物理层和媒体接入控制子层的基础上，z i g b e e 规范定义了网络层、应用 层以及相关的安全规范。 z i g b e e 网络层的功能包括： ( 1 ) 加入和离开网络； ( 2 ) 帧的安全机制管理； ( 3 ) 根据路由发送帧到目的地址； ( 4 ) 发现和维护路由； ( 5 ) 发现单跳邻居节点和维护邻居节点信息。 z i g b e e 网络层提供网络层数据实体( n w kl a y e rd a t ae n t i t y ) n l d e ) 和网络 层管理实体( n w kl a y e rm a n a g e m e n te m i t y ，n l m e ) 作为应用层的接口。这两个 实体分别通过其服务接入点向应用层提供数据传输服务和管理服务。这两个实体 间还存在一个隐藏的接口，使n l m e 能使用n l d e 的数据传输服务来实现它的 一些管理任务。另外，n l m e 还需要维护网络信息库( n e t w o r ki n f o r m a t i o nb a s e ， n i b ) 。网络层的结构模型如图2 4 所示。 图2 - 4 网络层参考模型 网络层数据实体需要提供服务来支持应用程序在两个或多个设备间传输应 用层协议数据单元。网络层数据实体提供如下服务： ( 1 ) 生成网络层协议数据单元( n w kl a y e rp r o t o c o ld a t au n i t ，n p d u ) ：n l d e l o 中山大学硕士学位论文 必须有能力在应用支持子层协议数据单元( a p sp r o t o c o ld a t au n i t ，a p d u ) 的基础 上，添加适当协议头来生成n p d u ； ( 2 ) 指定拓扑传输路由：n l d e 必须有能力将n p d u 传送给一个合适的设备， 该设备是通信的最终目的设备，或者是通向最终目的设备的下一个节点； ( 3 ) 安全：有能力保证传输的真实性和保密性。 网络层管理实体负责提供支持应用程序与协议栈互相作用的管理服务，具体 如下： ( 1 ) 配置一个新的设备：有能力根据所要求的操作有效配置协议栈，配置选项 包括成为z i g b e e 协调器的操作和加入现存网络的操作； ( 2 ) 启动网络：具有建立新网络的能力； ( 3 ) 加入和离开网络：具有加入或离开网络的能力，以及在作为z i g b e e 协调器 或路由器时要求设备离开网络的能力； ( 4 ) 地址分配：使z i g b e e 协调器和路由器具有为新加入网络的设备分配地址 的能力： ( 5 ) 邻居发现：具有发现、记录和报告设备单跳邻居信息的能力； ( 6 ) 路由发现：具有发现和记录信息传输有效路径的能力； ( 7 ) 接收控制：使设备具有激活接收器及其工作时间长度的能力、使能m a c 子层同步和直接接收的能力。 2 2 4 应用层 z i g b e e 应用层包括a p s 子层、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商定义的应 用对象。a p s 子层维护用于匹配两个设备的绑定表，传递绑定设备之间的消息。 z d o 定义设备在网络中的类型、发现设备、决定提供的应用服务、发起和响应 绑定请求和在网络设备之间建立安全机制。在单个的z i g b e e 节点中可以支持2 4 0 个应用实例，每个应用实例就对应一个端点和应用，端点号在l 到2 4 0 之间，端 点o 保留给节点的z d o 。 a p s 子层通过z d o 和厂商定义的应用对象使用的一系列服务在网络层和应 用层之间提供接口，服务由a p s 数据实体( a p s d e ) 服务接入点( a p s d e s a p ) 和a p s 管理实体( a p s m e ) 服务接入点( a p s m e s a p ) 提供服务。a p s d e 为 中山大学硕士学位论文 网络中的设备提供应用数据报的传输服务，a p s m e 提供发现和绑定设备服务、 维护管理对象的数据库。 z d o 代表了设备的z i g b e e 节点类型，驻留在应用层中，位于a p s 子层之上， z d o 负责初始化a p s 子层、网络层和安全服务提供者( s s p ) ，同时执行设备与 服务发现、安全管理、网络管理、绑定服务和节点管理等。z i g b e e 应用框架是 z i g b e e 设备上的应用对象的基本环境，在应用框架中，应用对象通过a p s d e s a p 发送和接收数据，通过z d o 公共接口控制和管理应用对象。 2 3 z i g b e e 网络拓扑结构 2 3 1 z i g b e e 中的设备 根据设备功能的不同，i e e e8 0 2 1 5 4 把网络中的设备分为全功能设备 ( f f d ：f u l lf u c t i o nd e v i c e ) 和精简功能设备( r f d ：r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 。 f f d 实现了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的全集，而r f d 则根据特定的应用只实现了i e e e 8 0 2 1 5 4 完整协议中的一部分。r f d 主要用于非常简单的应用，通常不需要传输 大量的数据，同一时间只和一个f f d 关联和通信。所以r f d 可以用最少的资源 和存储容量来实现。一个f f d 可以和r f d 通信，也可以和其他的f f d 通信。 根据设备在网络中承担任务的不同，分为协调器、路由器和终端设备。协调 器是一个网络的总控制器，必须是f f d ，在所有的z i g b e e 网络中都必须有一个 协调器，而且也只能有一个协调器。协调器在网络中的作用有：选择网络使用的 信道、启动网络、允许子节点连入网络、传递消息和安全管理等。路由器在星型 网络和网状网络中必须存在，也必须为f f d ，在网络中的作用有：路由消息、允 许子节点连入网络。终端设备可以是f f d 或r f d ，是在网络中作为某种特定的 应用设备，一个终端设备通常是电池供电的，所以功耗设计需要特别考虑，在没 有发送和接收消息时，可以进入睡眠状态以节省电力。终端设备不能转发消息， 也不能允许子节点通过它们加入网络。 1 2 中山大学硕上学位论文 2 3 2 z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 网络支持三种网络拓扑结构，分别为星型( s t a n ) 拓扑、树型( t r e e ) 拓 扑和网状( m e s h ) 拓扑。如图2 - 5 所示。 协调 ( a ) 鬟臻结构b ) m i t 绗构 图2 5z i g b e e 网络拓扑结构 ( 1 ) 星型结构 星型拓扑是最简单的一种形式，包含一个协调器节点和一系列的终端设备节 点，每个终端设备节点只能和协调器节点进行通信，如果两个终端设备节点之间 需要进行通信则必须通过协调器节点转发。这种网络拓扑结构也就限制了网络覆 盖范围的大小，最大的覆盖半径由终端设备节点和协调器节点的最大通信距离决 定。在星型拓扑中网络中的终端设备节点进行通信必须通过协调器转发，这使得 协调器可能成为整个网络的瓶颈。 ( 2 ) 树形拓扑结构 树型拓扑包括一个协调器和一系列的终端设备节点和路由节点。在树型拓扑 中，协调器和路由节点可以包含自己的子节点，但终端设备不能有自己的节点。 树型拓扑中，每一个节点只能与其父节点和子节点进行通信，如果从一个终端设 备节点向另一个终端设备节点发送数据，将沿着树的路径向上传递到最近的祖先 节点然后在向下传递到目标节点。 ( 3 ) 网状拓扑结构 网状拓扑包括一个协调器和一系列的终端设备节点和路由节点。这种网络拓 扑形式跟树型拓扑形式相似，但网状拓扑有更加灵活的路由规则，路由节点之间 可以直接进行通信。这种结构可以使得路由机制更加有效率，有更强的健壮性， 如果某条路由出现问题，消息可以自动的沿着其他的路由进行传输。在支持网状 拓扑的网络中，网络层会提供相应的路由探索功能，可以使得网络层寻找最优化 的路径。 1 3 中山大学硕十学位论文 第3 章n s 一2 网络仿真软件概述 3 1网络仿真概述 近年来，网络通信技术日新月异，对网络技术的研究也同样炙手可热，这也 促使人们不断提高研究水平，更新研究技术，增加研究手段。目前网络通信的研 究一般可分为一下三种方式加1 2 1 1 2 幻2 3 1 ： 1 、理论研究：在理论和协议层面上对网络通信技术及系统进行分析研究， 如采用数学建模、协议分析、状态机、集合论以及概率统计等多种理论分析手段 和方法对通信网络及其算法、协议、网络性能等各个方面进行研究。 2 、网络仿真：即计算机模拟仿真方法，指通过计算机软件模拟真实网络进 行试验研究的方法。也称为虚拟网络实验床( v i r t u a ln e t w o r kt e s t b e d ) 。 3 、试验网方法：采用建立实验室测试网络、网络试验床( n e t w o r kt e s t b e d ) 和小规模商用试验网络的方式对网络进行实战检验，如当前第三代移动通信网各 大网络设备提供商和运营商就在不同城市建有不同规模的试验网络，并进行一定 量的测试放号。使广大用户参与到网络的测试中，也使得网络设备和系统收到实 际应用环境的检验。 三种方法各有利弊，相辅相成并各有侧重点。理论研究适用于早期研究与设 计阶段，对新算法和新技术进行理论准备和验证，除了人力和知识，几乎不需要 什么额外成本；试验网方法是网络和系统在投入实际适用前的一次系统的演练， 能够发现网络设计与用户需求之间的相合度以及检验网络实际使用的效用和性 能。该阶段建设成本很高，要求技术和设备开发相对成熟，网络系统基本成型， 一般主要是针对业务和系统稳定性和服务性能的检验；而网络仿真阶段可以说是 理论方法和试验网方法的中间阶段，它可以对新协议进行初步实现和验证，并有 利于及时调整和改进，这个阶段，由于采用计算机软件进行仿真，使得很多研究 人员能够研究大规模网络和学习新协议新算法的设计和实现。并且能够在实用前 对其进行检验和改进，此外，他还可以在各种新老系统和算法之间进行比较而不 必花费巨资去建立多个实际系统。因此，网络仿真是网络通信研究中非常重要的 1 4 中山大学硕士学位论文 一种方法。 网络仿真的优点主要体现在以下几个方面： 1 、成本低：与试验网方法比较而言，网络设备、构件和系统均通过计算机 软件模拟实现，实现成本低廉。 2 、灵活可靠、可重构：由于采用软件实现，他的实用、配置和改变更加灵 活可靠，对大规模