摘  要： 為了評(píng)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(duì)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(shù)狀或網(wǎng)狀）和傳感網(wǎng)狀態(tài)（固定或移動(dòng)）下，對(duì)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(duì)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(shù)狀

0 引言

　　近年來(lái)，ZigBee[1]無(wú)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(wú)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(dòng)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(lái)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(wú)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(shí)延和抖動(dòng)性等。確認(rèn)（ACK）機(jī)制是一個(gè)用來(lái)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(lèi)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(píng)估ZigBee系統(tǒng)性能方面，參考文獻(xiàn)[3]提出對(duì)固定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下小型樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估，該樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由支持確認(rèn)機(jī)制的四個(gè)無(wú)線傳感器和一個(gè)協(xié)調(diào)器組成。參考文獻(xiàn) [4]中使用OPNET對(duì)支持確認(rèn)機(jī)制的有部分節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——星型、樹(shù)狀和網(wǎng)狀進(jìn)行了分析比較，得出樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)吞吐量最高但時(shí)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(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中網(wǎng)狀與樹(shù)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(shù)狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下不同數(shù)量的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)ZigBee系統(tǒng)的性能的影響。研究結(jié)果表明，樹(shù)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(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，端到端的時(shí)延逐漸減小，但依舊沒(méi)有提到確認(rèn)機(jī)制對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

　　本文利用仿真軟件OPNET對(duì)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(duì)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(wú)線通信技術(shù)，它應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低，電池壽命長(zhǎng)[7]。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種類(lèi)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(jí)設(shè)備，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，用來(lái)負(fù)責(zé)啟動(dòng)、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(jí)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(shí)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(jí)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(lèi)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(shù)狀和網(wǎng)狀[9]，如圖1所示。

　　星型結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，終端直接和協(xié)調(diào)器通信，沒(méi)有路由節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信，要通過(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。

　　樹(shù)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(chēng)為“葉”節(jié)點(diǎn)，多個(gè)葉節(jié)點(diǎn)連接在一個(gè)全功能的FFD設(shè)備形成“簇”，若干個(gè)“簇”連接在一起就形成了“樹(shù)”。這種樹(shù)簇形結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)范圍，可用于一些監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布范圍比較大的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　而網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在樹(shù)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(gè)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(shí)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(shí)幀控制域設(shè)置請(qǐng)求確認(rèn)，那么接收端在正確接收到數(shù)據(jù)包后，就會(huì)生成并發(fā)送一個(gè)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(huì)收到確認(rèn)幀，就會(huì)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(huì)首先通過(guò)MAC指令向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)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(huì)先發(fā)送一個(gè)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(gè)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(qǐng)求確認(rèn)，然后協(xié)調(diào)器在接收到數(shù)據(jù)包后會(huì)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(shí)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(wú)線傳感器中確認(rèn)幀的結(jié)構(gòu)。這是MAC層中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，它只有MAC報(bào)頭和MAC報(bào)尾，沒(méi)有有效載荷。MAC報(bào)頭由控制幀類(lèi)型和被確認(rèn)的幀的序列號(hào)組成，MAC報(bào)尾是用來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)的幀校驗(yàn)序列（FCS）。

2 仿真模型描述

　　本次對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的仿真是在OPNET建模版本 14.5的平臺(tái)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(gè)節(jié)點(diǎn)，其中1個(gè)協(xié)調(diào)器、3個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和10個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。幀長(zhǎng)度設(shè)置為1 024 B。幀發(fā)送給哪個(gè)節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)的。對(duì)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(shí)間為0.05 s，重發(fā)的最大次數(shù)為5次。

　　對(duì)于移動(dòng)狀態(tài)下的ZigBee傳感網(wǎng)，仿真期間，OPNET將會(huì)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)目標(biāo)，然后節(jié)點(diǎn)會(huì)向其移動(dòng)。需要注意的是，移動(dòng)性被應(yīng)用于無(wú)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(shuō)，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(shí)間。

　　3.1.1 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的確認(rèn)機(jī)制對(duì)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(wú)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(shí)數(shù)據(jù)可以被平穩(wěn)地傳輸與接收。

　　而在移動(dòng)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(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致重新發(fā)送的ACK幀的數(shù)量增加，因此針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，使用確認(rèn)機(jī)制會(huì)增加延遲。

　　3.1.2 樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的確認(rèn)機(jī)制對(duì)端到端延遲的影響

　　在樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，無(wú)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(huì)比不采用的更大。樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于樹(shù)中信息通往每一個(gè)分支時(shí)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，有/無(wú)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下采用該機(jī)制的傳感網(wǎng)會(huì)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(wú)確認(rèn)機(jī)制的情況下樹(shù)狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量?？梢杂^察到此時(shí)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量比樹(shù)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(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不存在有關(guān)。

　　圖7展示了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的ZigBee網(wǎng)在有/無(wú)確認(rèn)機(jī)制的情況下樹(shù)狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量。此時(shí)樹(shù)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(shù)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(wú)線傳感網(wǎng)中確認(rèn)機(jī)制對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明確認(rèn)機(jī)制對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的無(wú)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(shí)的性能與未采用確認(rèn)機(jī)制時(shí)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(shù)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(dòng)的傳感網(wǎng)狀態(tài)下，采用確認(rèn)機(jī)制時(shí)的性能與未采用確認(rèn)機(jī)制時(shí)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(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中吞吐量會(huì)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(duì)不同場(chǎng)合對(duì)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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