毕业设计（论文）-基于OPNET的ZigBee网络无线漫游性能研究.doc

本科毕业设计（论文） 题 目 基于 OPNET 的 ZigBee 网络 _ 无线漫游性能研究 _ 学生姓名 * 专业班级 信息工程 08-1 班 学 号 200807070122 院 （系） 计算机与通信工程学院 指导教师(职称) 123（讲师） 完成时间 2012 年 5 月 25 日 郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 题目题目 基于基于 OPNETOPNET 的的 ZigBeeZigBee 网络无线漫游性能研究网络无线漫游性能研究 专业专业 信息工程信息工程 学号学号 200807070122 姓名姓名 * 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一一主要内容：主要内容： 1熟悉 ZigBee 技术体系结构及特点； 2对 ZigBee 网络层研究分析； 3应用 OPNET 仿真软件； 4分析 ZigBee 网络无线漫游性能。 二基本要求：二基本要求： 1熟悉 ZigBee 技术； 2掌握 ZigBee 网络网络层的工作机制； 3熟练运用 OPNET 仿真软件仿真建模； 4分析比较 ZigBee 网络无线漫游性能。 三主要参考资料：三主要参考资料： 1有关无线通信技术的资料； 2有关 ZigBee 网络方面的资料； 3有关 OPNET 仿真软件的资料。 完完 成成 期期 限：限： 2012 年 5 月 25 日 指指导导教教师师签签名名： 专业负责人签名：专业负责人签名： 年年 月月 日日 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 目 录 摘 要.I ABSTRACT .II 1 绪论.3 1.1 选题背景.3 1.2 Zigbee 技术国内外研究概况.3 2 ZigBee 技术及其应用.5 2.1 ZigBee 无线技术的简单介绍.5 2.2 ZigBee 技术的特点.7 2.2 ZigBee 技术的优势.8 2.3 ZigBee 技术的应用.9 3 ZigBee 网络层.11 3.1 网络层的功能.11 3.2 网络新建.11 3.3 设备加入网络.12 3.4 设备退出网络.14 3.5 网络报文的发送与接收.14 3.6 网络的漫游.16 4 OPNET 网络仿真.17 4.1 OPNET 简介.17 4.2 OPNET 仿真步骤.17 4.3 OPNET 仿真建模方法.18 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 5 仿真实现及结果分析.20 5.1 仿真目标.20 5.3 仿真模型搭建.20 5.4 仿真模型的配置.22 5.4 仿真及结果分析.26 5.5 结论.29 结束语.30 致谢.31 参考文献.32 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 I 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 摘 要 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无 线通信技术或无线网络技术，是一组基于 IEEE 批准的 802.15.4 无线标准研制开发 的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务， 可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。 本文主要介绍了 ZigBee 技术体系结构与特点，重点对 ZigBee 网络的网络层进 行深入了解和研究，通过采用 OPNET 仿真软件对 ZigBee 网络无线漫游的仿真和分 析，研究了基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能，以提高 ZigBee 网络在实际应 用中的价值。 ZigBee 技术还在不断完善，它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等显著的技 术优势，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。 相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee 技术是最低功耗和成本的技术。有着广阔 的应用前景。 关键词 ZigBee 技术；网络层；OPNET；无线漫游 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 II BASED ON OPNET ZIGBEE NETWORK WIRELESS ROAMING PERFORMANCE ABSTRACT ZigBee 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 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 understanding 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 practical 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 technology, ZigBee technology is the lowest power consumption and cost. Has broad application prospects. KEY WORDS ZigBee technology， network layer，OPNET， wireless roaming 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 3 1 绪论 1.1 选题背景 过去若干年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信 技 术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等 迫 切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准l。 随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动 通 信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使 得 短距离无线通信异军突起，包括无线局域网(WLAN)、蓝牙(Blue-Tooth)技术、 无 线保真(WiFi)、超宽带(UWB)以及 ZigBee 技术等各种热点技术相继出现，均展 现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的 ZigBee 技术作为 无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注2。ZigBee 作为一种新兴的短 距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络 LR-WPAN(Low- Rate Wireless Personal Area Network)的发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、 医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。 预计随着 Zigbee 技术以及相关技术的发展，低速率应用将日益广泛，在我们的 生活中扮演越来越重要的角色3。 ZigBee 的提出弥补了短距离无线通信技术应用研究的空白，现在该技术已 经成为研究的新热点，在不久的未来，基于 ZigBee 技术的产品将会形成一个新 的浪潮，势不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入 人 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 4 们生活的每一个角落，给人们的生活带来方便和快捷4。研究 Zigbee 组网技术， 可为下一步应用打下良好理论基础，方便进行系统设计。本文将结合当今的发 展 趋势和 ZigBee 的技术特点，对 ZigBee 做详细的研究和实验开发。 1.2 Zigbee 技术国内外研究概况 国外对 ZigBee 技术的研究起步较早，研究也较成熟。ZigBee 联盟成立于 2002 年 8 月，为了推动 ZigBee 技术的发展， Chaddrcon、Ember、FreeScale、Honeywll、 Motorala、Philaddrs 和 Sansung 等公司共同成立了 ZigBee 联盟，如今已经吸引 了 上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多 IC 设计、家电、 通讯节点、ADDR 服务提供、玩具等厂商，目前该联盟已经包含了 150 多家会 员。 并且还有许多厂商已将 ZigBee 纳入产品中5。 国内 ZigBee 的研究起步较晚，国内 ZigBee 模块生产厂家一般都受芯片厂 家 数量等限制价格，国内市场主要由国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研制 的 ZigBee 产品，只有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志。到目前为 止， 国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将 Zigbee 技术开发成产品， 并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。不过随 着 无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术 应 用方面的研究。特别是与我们日常生活息息相关的近距离无线组网技术的研究 和 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 5 应用，如中科院计算所的宁波分所就在专门从事无线技术的研究，主要侧重于 无 线网络化智能传感器，计算所自行开发可低功耗的 CPU、多点网络动态组网拓 补协议、网络节点管理软件、无线网络化智能传感器操作系统。国内的一些大 学， 如浙江大学、山东大学、清华大学等6也在搞 ZigBee 组网和应用的研究，利用 国外厂商的开发平台和芯片建立 ZigBee 网络，并应用于智能家居，无线抄表和 物流管理方面。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产 ZigBee 和其他 无线产品投入市场。 2 ZigBee 技术及其应用 2.1 ZigBee 无线技术的简单介绍 2.1.1 ZigBee 概述 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双 向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于 IEEE 批准的 802.15.4 无线标准 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 6 研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量 较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、 家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线 通信技术，ZigBee 技术是最低功耗和成本的技术。完整的 ZigBee 协议套件由 高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。其中，物理 层（又称实体层） 、MAC 层、数据链接层，以及传输过程中的资料加密机制等 都是由 IEEE 所主导的。网络层和应用支持层则由 ZigBee 联盟来完成。 2.1.2 ZigBee 协议层 如图 1-1 所示为 ZigBee 的协议层，各层次的作用如下： 图 11 ZigBee 协议层 a) 物理层：遵循 IEEE 802.15.4 协议，是协议的最底层，承担着与外界直接 作用的任务，控制 RF 收发器工作，采用扩频通信，信号传输距离为室内 50m，室外 150m。 b) MAC 层：遵循 IEEE 802.15.4 协议，负责设备间无线数据链路的建立、 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 7 维护和结束，确认模 3 式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支 持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为 16 位地址寻址。 c) 数据链路层：又可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层 (MAC)。IEEE802.15.4 的 LLC 子层与 IEEE802.2 的相同，其功能包括传输可靠 性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。 d) 网络层：建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设 置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提 供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的 AES-128 对通信加密。 e) 应用层：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他 器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户 开发。 2.2 ZigBee 技术的特点 自从马可尼发明无线电以来，无线通信技术一直向着不断提高数据速率和 传输距离的方向发展。例如:广域网范围内的第三代移动通信网络(3G)目的在于 提供多媒体无线服务，局域网范围内的标准从 IEEE802.11 的 1Mbit/s 到 IEEE802.11g 的 54Mbit/s 的数据速率。而当前得到广泛研究的 ZigBee 技术则致 力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗 的低速率无线通信技术，这种无线通信技术具有如下特点: (1)低功耗：工作模式情况下，ZigBee 技术传输速率，传输数据量很小，因 此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee 节点处于休眠模式，设 备搜索时延一般为 30ms，休眠激活时延为 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得 ZigBee 节点非常省电，ZigBee 节点的电池工作时间可以长达 6 个月到 2 年左右。同时， 由于电池时间取决于很多因素，例如：电池种类、容量和应用场合，ZigBee 技 术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年， 对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于 1%的情况,电池的寿 命甚至可以超过 10 年。 (2)低速率：数据传输速率只有 20250kb/S(2.4GHZ)，40kb/s(915MHz)和 20kb/s(868MHZ)的原始数据吞吐率，能满足低速率传输数据的应用要求。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 8 (3)数据传输可靠：ZigBee 的媒体接入控制层(MAC 层)采用 talk-when-ready 的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则 立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息 回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种 方法可以提高系统信息传输的可靠性。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。同时 ZigBee 针对时延敏感的应用 做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。 (4)网络容量大：ZigBee 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜 支持简单器件。ZigBee 定义了两种器件：全功能器件(FFD)和简化功能器件 (RFD)。对全功能器件，要求它支持所有的 49 个基本参数。而对简化功能器件， 在最小配置时只要求它支持 38 个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器 件和其他全功能器件通话，可以按 3 种方式工作，分别为：个域网协调器、协 调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。 一个 ZigBee 的网络最多包括有 255 个 ZigBee 网路节点，其中一个是主控 (Master)设备，其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator)，整个网络最多可以支持超过 64000 个 ZigBee 网路节点，再加上 各个 Network Coordinator 可互相连接，整个 ZigBee 网络节点的数目将十分可观。 (5)有效范围小：有效覆盖范围在 1075m 之间，但是可以扩展到数百米， 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普 通的家庭或办公室环境。 (6)兼容性：ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器 (Coordinator)自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测(CSMA-CA)方式进行信道 接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。 (7)安全性：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供 了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要 或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对 于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数 据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 9 密标准(AES)的对称密码。AES 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法 器件。 (8)实现成本低：模块的初始成本估计在 6 美元左右，很快就能降到 1.52.5 美元，且 ZigBee 协议免专利费用。目前低速低功率的 UWB 芯片组的价格至少 为 20 美元。而 ZigBee 的价格目标仅为几美分。 (9)工作频段灵活：用的频段分别为 2.4GHZ、868MHZ(欧洲)及 915MHz(美 国)，均为免执照频段，具有 16 个扩频通信信道。相应的，WSN 采取 2.4GHZ 工作频段的特性将会更有利于 WSN 的发展。 2.2 ZigBee 技术的优势 这里将几种短距离无线通信技术的性能进行比较，为了更加直观的表述和 比较他们，用表 2-1 进行说明。从表中我们可以看出，无论是 ZigBee 技术、蓝 牙技术、HomeRF 技术、IEEE 802.11 技术、DECT 技术，还是超宽带技术以及 RFID 技术，他们都有各自的特点，适合于不同的应用场合，他们之间存在相互 竞争、相互补充，谁也不能替代谁，相信他们在不断的竞争中，会取长补短， 共同发展，为人们的生活需要提供更快捷、更方便的通信方式。 表 2-1 几种短距离无线通信技术的比较 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 10 2.3 ZigBee 技术的应用 根据 ZigBee 本身的技术特点，它主要适用于数据吞吐量小、网络建设投资 少、网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电的场合，ZigBee 联盟预测的 主要应用领域包括家庭和楼宇自动化、工业控制、医用装置控制和农业自动化 等。 在家庭自动化领域，ZigBee 技术将拥有广阔的市场。它可以应用于家庭的 照明、温度、安全、控制等各个方面。ZigBee 模块可安装在电视、灯泡、遥控 器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品等，例如在灯泡 中装置 ZigBee 模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控 便可开灯。通过 Zigbee 终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备， 或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。 在工业领域，利用传感器和 ZigBee 网络，使得数据的自动采集、分析和处 理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分 的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。 在医学领域，将借助于各种传感器和 ZigBee 网络，准确而且实时地监测病 人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医 生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。 在现代化农业领域，利用传感器可以将土壤湿度、氮浓度、PH 值、降水量、 气温、气压和采集信息的地理位置经由 ZigBee 网络传送到中央控制设备，使农 民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 11 3 ZigBee 网络层 网络层(NW K)是位于 MAC 层与应用层(APL)之间的一个协议层。网络层 的任务是通过正确操作 MAC 层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。 为了与应用层交互，网络层逻辑上包含两个服务实体：数据服务实体(NLDE)和 管理服务实体(NLME)。 在 ZigBee 协议中，网络层主要负责新建网络、加入网络、退出网络和网络 报文的路由传输等功能。 3.1 网络层的功能 ZigBee 规范定义的 NWK 层协议，提供数据传输服务(NLDE)和管理服务 (NLME)，其逻辑模型如图 3-1 所示。其中 NLDE-SAP 是 NWK 层提供给 APL 层的数据服务接口，用于将 APL 层提供的数据打包成网络层协议数据单元，并 将其传输给相应节点的 NWK 层；或者将接收到的 NWK 层协议数据单元进行 解包，并将解包后得到的数据传送给本节点的 APL 层。也就是说 NLD E-SAP 实现两个 APL 层之间的数据传输：NLM E-SAP 是 NWK 层给 APL 层提供的管 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 12 理服务接口；MCPS-SAP 是由 MAC 层提供给 NWK 层的数据服务接口； MLME-SAP 是 MAC 层提供给 NWK 层的管理服务接口。ZigBee 网络层管理服 务的主要功能有四个方面：构建一个新网络；设备加入已存在的网络；已加入 网络的设备从网络中退出；网络报文的路由。 图 3-1NWK 层模型 3.2 网络新建 新建网络的功能只能由具有 ZigBee 协调者能力的设备来实现，将其自身初 始化为一个新的 ZigBee 网络协调者。在接收到上层新建一个网络的调用后，该 设备首先在所指定的信道上扫描。如果上层已经确定了网络标识 PAN ID，那么 网络层将确保所给定的 PAN ID 不会与所选择信道的现有网络 PAN ID 参数产 生冲突。若发现存在冲突，那么，如果有可能则从给定的信道中选择另外一个 信道，在这个信道中，所给定的 PAN ID 不与信道中的其他网络冲突；如果选 择不到合适的信道，则网络层发送错误标志。如果上层未指定 PAN ID，则网络 层在所选定的信道中选择与任何已存在网络不会冲突的 PAN ID 作为新建网络 的标识。 一旦合适的信道和网络标识 PAN ID 确定后，网络层将选择 0 x0000 作为 16 位的网络地址，并通知 MAC 层，设置为网络地址。这样在指定信道上的网络 就建好了，此时该网络中只有协调者自身一个节点。 3.3 设备加入网络 设备加入网络功能就是通过与已加入网络的协调者或路由器设备建立连接 来实现的。当设备与某一网络协调者或路由器连接后，将形成父子关系，前者 为子设备，后者为父设备。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 13 设备与网络连接的方式有两种：一种是子设备主动与指定的 PAN 进行连接； 另一种是子设备预先指定的父设备主动先将子设备加入到 PAN 中，而后子设备 再通过孤立点方式加入到 PAN 中。下面对子设备主动加入网络的方式进行阐述。 当子设备接收到加入网络命令后，如果子设备已经同网络连接，则返回出 错标志，否则尝试连接其 POS 范围内的网络协调者或路由器。具体加入 PAN 的流程如图 3-2 所示。 图 3-2 子设备连接的基本流程 首先，子设备要获取其 POS 范围内具有允许连接能力的网络协调者或路由 器的地址信息。因而首先发送信标请求命令，其 POS 范围内具有允许连接能力 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 14 的网络协调者或路由器接收到该命令后都会发送各自的信标帧；在这里采取时 间最短的策略，子设备将加入最先接收到的信标所对应的 PAN 中。但若一段时 间未接收到信标，则退出。 在获取了要加入的父设备信息后，子设备向父设备发送连接请求命令。父 设备接收到连接命令后，检查当前资源是否能够再接收设备加入 PAN 中。若资 源满足后，父设备将存储子设备地址，并为子设备分配 16 位的网络地址，同时 生成连接响应命令帧，向连接请求子设备发送有未处理数据的 Ack 应答帧；若 资源不满足，则直接发送无未处理数据的 Ack 应答帧。 子设备在一段时间内等待接收来自父设备的 Ack 应答帧，接收到后判断父 设备是否有本设备的未处理数据，若无或在指定时间内未接收到 Ack 应答帧则 退出。 当子设备判断父设备有未处理数据，则向父设备发送数据请求命令；父设 备接收到该命令后，发送缓存的连接响应命令帧；子设备接收到后，更新其设 备网络地址、PAN ID、父设备地址信息等参数。此时子设备就完成了加入 PAN 的整个过程。 3.4 设备退出网络 对于已连接网络的设备主要有两种从网络中断开连接的方式：子设备自身 主动要求断开连接；父设备要求某一子设备从网络中断开连接。 子设备自身主动要求断开连接。子设备首先检查自身是否已经加入网络， 并且父设备是否与要断开连接的对象相同；接着子设备组织断开连接请求命令 帧，并发送给父设备；注意按照 ZigBee 协议规定，子设备在发送了断开连接请 求命令后，无论父设备是否做出断开连接响应，子设备均将其父设备信息清空， 表示子设备已经从网络中退出；当父设备成功接收到断开连接请求命令时，在 其邻居表中检查是否存在该子设备，若存在则将该子设备从邻居表中移除。 父设备要求某一子设备从网络中断开连接。父设备首先检查要断开连接的 对象是否在其邻居表中，若在则生成断开连接请求命令帧，并发送给指定子设 备；与子设备主动要求断开连接一样，无论父设备是否收到子设备的应答，都 将该子设备从邻居表中移除；当子设备成功接收到断开连接命令后，将父设备 信息清空。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 15 3.5 网络报文的发送与接收 (l)网络报文的发送 网络报文的发送相对比较简单：首先，根据不同的报文类型封装相应的网 络报文，其中报文的源地址为本设备网络地址，目的地址为最终的目的设备网 络地址；再调用 MAC 层数据帧的封装函数组织 MAC 数据帧，其中数据帧的源 地址为本设备地址，而目的地址是通过相应的路由算法计算出来的下一跳节点 的地址信息：帧组织好后，将该数据帧发送给下一跳节点，由下一跳节点来负 责接收、转发。 (2)网络报文的接收 MAC 层成功接收到数据帧后，将去除帧头、帧尾域，剩下数据载荷域作为 网络报文传递给网络层。网络层接收报文的处理流程如图 3-3 所示。 3-3 接收处理报文流程 当网络层成功接收到网络报文后，首先根据报文头域检查是否为合法的网 络报文，主要检查报文类型是否合法：若不是数据报文或三种类型的命令报文， 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 16 则对该报文进行报文出错处理。 当为合法的命令报文时，取得具体的命令类型，并根据不同的命令进行相 应的命令处理、应答。 当为合法的数据报文时，由于网络终端设备没有路由转发功能，因此设备 类型不同，处理也不尽相同。对于自身是网络终端设备时，根据报文的目的地 址域检查该数据报文是否属于自己的，若是，则将报文载荷域传递给上层，供 上层处理：否则，丢弃该数据报文。对于具有路由转发能力的网络协调者或路 由器设备，若不是自己的数据报文，根据报文的目的地址和路由算法计算下一 跳节点的地址信息，再调用 MAC 层程序接口将该数据报文转发给下一跳节点； 若是自己的数据报文同样将报文载荷域传递给上层协议，由上层来进一步处理。 3.6 网络的漫游 AP 是(Wireless) Access Point 的缩写，即(无线)访问接入点。如果无线网卡 可比作有线网络中的以太网卡，那么 AP 就是传统有线网络中的 HUB，也是目 前组建小型无线局域网时最常用的设备。AP 相当于一个连接有线网和无线网的 桥梁，其主要作用是将各个无线网络客户端连接到一起，然后将无线网络接入 以太网(这正是 Access Point 名称的本义)。 当网络环境存在多个 AP，且它们的微单元互相有一定范围的重合时，无线 用户可以在整个网络覆盖区内移动，无线网卡能够自动发现附近信号强度最大 的 AP，并通过这个 AP 收发数据，保持不间断的网络连接，这就称为无线漫游。 要想成功实现网络的无线漫游，除了网络建设外，能够保证在整个网络覆 盖区域都具有良好服务质量的测试测量系统也十分关键。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 17 4 OPNET 网络仿真 4.1 OPNET 简介 OPNET 最早是在 1986 年由麻省理工大学的两个博士创建的，并发现网络 模拟非常有价值，因此于 1987 年建立了商业化的 OPNET。目前共有大概 2700 个 OPNET 用户，包括企业、网络运营商、仪器配备厂商，以及军事、教育、 银行、保险等领域。OPNET 近几年赢得的大量奖项是对其在网络仿真中所采用 的精确模拟方式及其呈现结果的充分肯定。在设备制造领域，企业界如 Cisco， 运营商如 AT 1) ZigBee 协调器(ZigBee Coordinator) 2) ZigBee 路由器(ZigBee Router) 3) ZigBee 终端设备(ZigBee End Device)。 ZigBee 协调器，即 IEEE 802.15.4 定义的个域网协调器，可以看作是一个 无线传感器网络的汇聚节点，是网络建立的起点，负责 ZigBee 网络的初始化， 确定网络唯一的标识符(PAN Identifier)，以及网络工作的物理信道；同时，统 筹并分配网络节点 16 位短地址。ZigBee 协调器必须是全功能设备，并且一个 ZigBee 网络有且只有一个 ZigBee 协调器。 ZigBee 路由器是一个全功能设备，在接入网络后，它能获得由 ZigBee 协 调器分配的一定的 16 位短地址空间。在其通讯范围内，无需 ZigBee 协调器的 指导，它便可以允许其它节点直接加入或者离开网络，为节点分配 16 位短地址， 并在节点退出后将地址收回，同时负责网络内部各种数据分组的路由转发。 ZigBee 终端设备，一般是简化功能设备，但也可以由全功能设备来充当。 ZigBee 终端设备只能与为其分配 16 位短地址的的父节点通信，从父节点处获 得信息。 图 5-1 5.4 仿真模型的配置 为了研究 ZigBee 网络无线漫游性能，在刚开始时，把移动节点 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 23 mobile_node_1 放在 PAN 1 旁边，并把 mobile_node_1 中 PAN ID 的属性设置为 Auto Assigned，如图 5-3 所示，使其能按照设计最先加入 PAN 1 然后是 PAN 2，最后加入 PAN 3。 图 5-3 除移动节点 mobile_node_1 的 PAN ID 设置为随机目标(Auto-Assigned)外， 其余的节点分别属于各个子网，在它们加入网络时，它们会选择给自己的 PAN 发送流量。如图 5-4，5-5，5-6 所示。 图 5-4 PAN 1 中的节点 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 24 图 5-5 PAN 2 中的节点 图 5-6 PAN 3 中的节点 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 25 图 5-7 子网 PAN 的设置 而在对 PAN 的设置中，将三个 PAN 的发射功率都设置为 2mW，工作频率 为 2450MHz，如图 5-7 所示。 由 dBm=10log(P/1mW) (5-1) 可得发射功率 P=2mW=3.010dBm。 移动节点 mobile_node_1 的接收灵敏度为-85dBm，图 5-8 所示。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 26 图 5-8 移动节点 mobile_node_1 的接收灵敏度 所以发射功率与接收灵敏度的差为：3-(-85)=88dB。 根据自由空间中信号传播损耗公式： Lfs(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz) (5-2) 可得 d=0.24434km=244.34m 又因为在 PAN 1和 PAN 2中，End Device 2的坐标为(252.5，448.9)与 Coordinator 2的坐标为(521，744)，如图5-9。故他们的距离 D=398.97m。 图 5-9 节点坐标 因为 Dd，所以三个子网 PAN 的覆盖区域不会重叠并会出现丢包现象。 移动节点 mobile_node_1 在通过三个子网 PAN 的覆盖区域的时间约为 20 分钟。如图 5-10 所示。从图中可以看到移动节点 mobile_node_1 最初的坐标 1 为(187.7，447.9)，然后 mobile_node_1 以 2.236942 n/a 的速度，在经历了 6m47.51s 后到达坐标 2(472.4，739.5)，同样的，mobile_node_1 在到达坐标 3 之 后最终到达坐标 4，从图中可以看出，mobile_node_1 的速度几乎不变(匀速)， 从坐标 1 到坐标 4 的过程中，mobile_node_1 总共花了 16m50.12s。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 27 图 5-10 mobile_node_1 移动过程 5.4 仿真及结果分析 5.4.1 执行仿真 仿真的目标是观察在不同条件下移动节点的在三个子网中移动时网络的收 发性能及传递行为，在移动节点到达不同子网时，子网的数据收发量将会有不 同的结果，分析结果并从中得出结论。 打开 OPNET，按照上面的设置对网络进行设置，运行仿真并分析结果。 5.4.2 分析仿真结果 此次仿真可得出三种仿真结果，分别为： (1)mobile_node_1 的 PAN 关联 ：从移动节点 mobile_node_1 在网络中的轨 迹中可以看出在前 4 分钟，mobile_node_1 加入子网 PAN 1，在 4 至 12 分钟加 入子网 PAN 2，到 12 分钟左右离开 PAN 2 然后加入 PAN 3。图 5-11 清晰地显 示了 mobile_node_1 的移动过程。 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 28 图 5-11 为了更具体地知道移动节点的移动轨迹，我们把 mobile_node_1 离开子网的时 间精确到秒，如图 5-12 所示。 图 5-12 由上图我们可以精确地知道在 3 分 48 秒的时候移动节点 mobile_node_1 离开了 子网 PAN 1，在 12 分 12 秒时离开了子网 PAN 2。 (2)网络的丢包情况分析：根据(1)的结论我们可以推导出，当移动节点 mobile_node_1 在离开子网 PAN 1 而尚未到达 PAN 2 的覆盖范围和 mobile_node_1 离开子网 PAN 2 但尚未到达 PAN 3 的覆盖范围时，将会有丢包 基于 OPNET 的 ZigBee 网络无线漫游性能研究 29 的现象出现。而实际仿真的结果图像也恰恰验证了我们之前的推论，从图 5-13 中我们可以清楚地看到 mobile_node_1 出现的第一个丢包高峰是在 4 分钟左右， 此时正是移动节点离开 PAN 1 但还未到达 PAN 2。同样地，我们也可以很好地 解释了 mobile_node_1 为什么会在 12 分钟左右出现第二次丢包高峰。 图 5-13 (3)移动节点在全网漫游时各个子网的数据流