摘 要： 為了評估和優(yōu)化ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能，使用OPNET仿真軟件仿真分析了ZigBee協(xié)議中的確認(rèn)機(jī)制對ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的影響。仿真結(jié)果表明，確認(rèn)機(jī)制在不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（樹狀或網(wǎng)狀）和傳感網(wǎng)狀態(tài)（固定或移動）下，對網(wǎng)絡(luò)的性能有不同的影響。在端到端的延遲和吞吐量方面，有針對性的使用確認(rèn)機(jī)制能夠給ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供更好的性能。
關(guān)鍵詞： ZigBee；確認(rèn)；網(wǎng)狀；樹狀
0 引言
近年來，ZigBee[1]無線傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸滲透到人們的日常生活和工作中，已在許多領(lǐng)域得以應(yīng)用（如醫(yī)療、安全、工業(yè)、軍事、地質(zhì)等）。而另一方面，無線傳感器的各種應(yīng)用需要滿足不同的條件，如可靠/不可靠的數(shù)據(jù)傳輸或固定/移動傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，因此，需要設(shè)備采用不同的機(jī)制來支持這些傳感器，以確保數(shù)據(jù)包的正確傳送。
ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種無線傳感網(wǎng)通信協(xié)議[2]。反映ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的因素有很多，如網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端的時延和抖動性等。確認(rèn)（ACK）機(jī)制是一個用來提高ZigBee系統(tǒng)性能的可選功能，這種機(jī)制是接收端在接收到有效數(shù)據(jù)包后，在MAC層使用一種特殊類型的小尺寸的幀發(fā)送給發(fā)送端做出確認(rèn)，若收不到確認(rèn)幀，發(fā)送端將重傳數(shù)據(jù)，以此提高ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
在評估ZigBee系統(tǒng)性能方面，參考文獻(xiàn)[3]提出對固定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下小型樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評估，該樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由支持確認(rèn)機(jī)制的四個無線傳感器和一個協(xié)調(diào)器組成。參考文獻(xiàn) [4]中使用OPNET對支持確認(rèn)機(jī)制的有部分節(jié)點(diǎn)移動的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——星型、樹狀和網(wǎng)狀進(jìn)行了分析比較，得出樹狀網(wǎng)絡(luò)吞吐量最高但時延最大的結(jié)論。參考文獻(xiàn)[5]使用網(wǎng)絡(luò)模擬器（NS-2）對移動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中網(wǎng)狀與樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了探討。參考文獻(xiàn)[6]在OPNET版本14.5上模擬了ZigBee系統(tǒng)，研究了星型、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下不同數(shù)量的移動節(jié)點(diǎn)對ZigBee系統(tǒng)的性能的影響。研究結(jié)果表明，樹狀結(jié)構(gòu)在吞吐量方面可以提供更好的性能，并且該結(jié)構(gòu)下隨著移動節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，端到端的時延逐漸減小，但依舊沒有提到確認(rèn)機(jī)制對系統(tǒng)性能的影響。
本文利用仿真軟件OPNET對ZigBee協(xié)議中的確認(rèn)機(jī)制在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同傳感網(wǎng)狀態(tài)下對系統(tǒng)性能的影響做了詳細(xì)的分析比較，為進(jìn)一步合理地配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了參考。
1 ZigBee相關(guān)技術(shù)概述
1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4的短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，它應(yīng)用簡單、成本低，電池壽命長[7]。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種類型的節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備[8]。從性能角度講，協(xié)調(diào)器是ZigBee的頂級設(shè)備，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只能有一個協(xié)調(diào)器，用來負(fù)責(zé)啟動、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可為新加入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配16位短地址等。路由器是ZigBee的第二級設(shè)備，它可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，也可作為中間設(shè)備工作，具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時也輔助其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備是ZigBee最低一級的設(shè)備，位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，只具有采集和發(fā)送信息的功能，不具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。
這三種類型的ZigBee設(shè)備可以組成三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹狀和網(wǎng)狀[9]，如圖1所示。
星型結(jié)構(gòu)是最簡單的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點(diǎn)組成，終端直接和協(xié)調(diào)器通信，沒有路由節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信，要通過協(xié)調(diào)器來轉(zhuǎn)發(fā)。
樹狀結(jié)構(gòu)是在星型結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步拓展，處于網(wǎng)絡(luò)最邊緣的設(shè)備被稱為“葉”節(jié)點(diǎn)，多個葉節(jié)點(diǎn)連接在一個全功能的FFD設(shè)備形成“簇”，若干個“簇”連接在一起就形成了“樹”。這種樹簇形結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)范圍，可用于一些監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分布范圍比較大的應(yīng)用場合。
而網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在樹狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，它將網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接連接在一起，使得網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備都可以與網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的其他設(shè)備通信。
1.2 確認(rèn)機(jī)制及ACK的幀結(jié)構(gòu)
確認(rèn)機(jī)制是ZigBee通信時為增加數(shù)據(jù)傳輸可靠性而使用的一種機(jī)制[10]。如果發(fā)送端給接收端發(fā)送數(shù)據(jù)包時幀控制域設(shè)置請求確認(rèn)，那么接收端在正確接收到數(shù)據(jù)包后，就會生成并發(fā)送一個確認(rèn)幀通知發(fā)送端設(shè)備數(shù)據(jù)接收完成，否則，發(fā)送端就不會收到確認(rèn)幀，就會重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。
ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸模式有3種，因此確認(rèn)機(jī)制也相應(yīng)地分為3種情況。如圖2所示，其中從設(shè)備是指路由或者終端節(jié)點(diǎn)。第一種是數(shù)據(jù)傳輸從協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)或者路由節(jié)點(diǎn)，第二種是數(shù)據(jù)傳輸從路由或者終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器，第三種是終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間的傳輸。
第一種情況下，從設(shè)備會首先通過MAC指令向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，如果協(xié)調(diào)器中有該設(shè)備的未處理數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器就會先發(fā)送一個確認(rèn)幀給從設(shè)備，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備在收到數(shù)據(jù)后，再發(fā)送一個確認(rèn)幀給協(xié)調(diào)器表明數(shù)據(jù)處理任務(wù)已完成。第二種情況下，從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，并向協(xié)調(diào)器請求確認(rèn)，然后協(xié)調(diào)器在接收到數(shù)據(jù)包后會發(fā)送確認(rèn)幀給發(fā)送端。第三種情況與第二種情況相似。這三種情況下，當(dāng)數(shù)據(jù)是由從設(shè)備發(fā)往協(xié)調(diào)器時是否使用確認(rèn)機(jī)制是可選擇的。
確認(rèn)幀位于MAC層，圖3顯示了在基于ZigBee的無線傳感器中確認(rèn)幀的結(jié)構(gòu)。這是MAC層中最簡單的結(jié)構(gòu)，它只有MAC報頭和MAC報尾，沒有有效載荷。MAC報頭由控制幀類型和被確認(rèn)的幀的序列號組成，MAC報尾是用來進(jìn)行錯誤檢測的幀校驗(yàn)序列（FCS）。
2 仿真模型描述
本次對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的仿真是在OPNET建模版本 14.5的平臺上實(shí)現(xiàn)的。設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)尺寸為200 m×200 m，網(wǎng)絡(luò)包括14個節(jié)點(diǎn)，其中1個協(xié)調(diào)器、3個路由節(jié)點(diǎn)和10個終端節(jié)點(diǎn)。幀長度設(shè)置為1 024 B。幀發(fā)送給哪個節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)的。對于確認(rèn)機(jī)制中的參數(shù)，設(shè)置每次確認(rèn)幀等待的時間為0.05 s，重發(fā)的最大次數(shù)為5次。
對于移動狀態(tài)下的ZigBee傳感網(wǎng)，仿真期間，OPNET將會在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個目標(biāo)，然后節(jié)點(diǎn)會向其移動。需要注意的是，移動性被應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中除了協(xié)調(diào)器外的所有節(jié)點(diǎn)。也就是說，協(xié)調(diào)器總是固定的。該模型共包含了8種情況，如表1所示。
3 仿真結(jié)果與討論
3.1 端到端延遲
端到端的延遲被定義為發(fā)送器發(fā)送準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)包到接收器接收到該數(shù)據(jù)包的間隔時間。
3.1.1 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的確認(rèn)機(jī)制對端到端延遲的影響
從圖4中可以看出，在固定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，有/無確認(rèn)機(jī)制的兩種情況下，端到端的延遲非常接近，而且延遲幾近為常數(shù)。這是因?yàn)樵诠潭ňW(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)之間的距離都比較近，這時數(shù)據(jù)可以被平穩(wěn)地傳輸與接收。
而在移動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中端到端延遲與不使用確認(rèn)機(jī)制相比，使用確認(rèn)機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)延遲增加了大約30%。ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)的移動可能會導(dǎo)致重新發(fā)送的ACK幀的數(shù)量增加，因此針對移動網(wǎng)絡(luò)，使用確認(rèn)機(jī)制會增加延遲。
3.1.2 樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的確認(rèn)機(jī)制對端到端延遲的影響
在樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延遲如圖5所示。在固定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，通常采用確認(rèn)機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)延遲會比不采用的更大。樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于樹中信息通往每一個分支時只有一條路由通道，且距離由傳感器的位置決定，為了增加數(shù)據(jù)交換的可靠性，ACK幀的使用增加了更高的延遲。
在移動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，有/無確認(rèn)機(jī)制延遲的數(shù)值大致相同。這種情況下的確認(rèn)機(jī)制不增加額外的延遲，這是由于在移動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下采用該機(jī)制的傳感網(wǎng)會試圖修復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。
3.2 吞吐量
圖6反映了固定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的ZigBee網(wǎng)在有/無確認(rèn)機(jī)制的情況下樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量?？梢杂^察到此時網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量比樹狀結(jié)構(gòu)的吞吐量大。這與在網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在很多數(shù)據(jù)包的路徑而樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不存在有關(guān)。
圖7展示了移動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的ZigBee網(wǎng)在有/無確認(rèn)機(jī)制的情況下樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量。此時樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量比網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大。樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用確認(rèn)機(jī)制的吞吐量比不采用減少12%左右；而網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用確認(rèn)機(jī)制的吞吐量比不采用增加17%。
4 結(jié)論
本文研究了ZigBee無線傳感網(wǎng)中確認(rèn)機(jī)制對其性能的影響，結(jié)果表明確認(rèn)機(jī)制對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的無線傳感網(wǎng)性能存在不同程度的影響，詳細(xì)結(jié)果如下：固定的傳感網(wǎng)狀態(tài)下，采用確認(rèn)機(jī)制時的性能與未采用確認(rèn)機(jī)制時的性能相比，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的吞吐量降低了10%，延遲的數(shù)值大致相同；樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的吞吐量增加了20%，延遲增加了23%。移動的傳感網(wǎng)狀態(tài)下，采用確認(rèn)機(jī)制時的性能與未采用確認(rèn)機(jī)制時的性能相比，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的吞吐量和端到端延遲均有增加；樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中吞吐量會減少12%，延遲的數(shù)值大致相同。因此，在具體的ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，應(yīng)針對不同場合對系統(tǒng)性能的要求，選擇合理有效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及確定是否采用確認(rèn)機(jī)制。
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