牟杰，蔡自興，劉麗玨

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

ZigBee簇狀網(wǎng)的OMNeT++仿真模型

牟杰，蔡自興，劉麗玨

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

最新版的ZigBee 2007協(xié)議規(guī)范允許在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中部署64 000個(gè)節(jié)點(diǎn)以上，但目前市場(chǎng)和技術(shù)尚未完全成熟，國內(nèi)仍無大規(guī)模節(jié)點(diǎn)部署的實(shí)例.為了給大規(guī)模部署Zigbee節(jié)點(diǎn)的研究提供參考模型，通過OMNeT++仿真環(huán)境，圍繞Zigbee 2007協(xié)議中定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及AODV路由算法進(jìn)行了大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)和路由仿真.仿真實(shí)驗(yàn)表明，該模型具有Zigbee 2007網(wǎng)絡(luò)層和介質(zhì)訪問控制層的組網(wǎng)和路由功能，成功實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，可用于大規(guī)模部署ZigBee節(jié)點(diǎn)的可行性研究.

ZigBee;OMNeT++;AODV;大規(guī)模節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò);仿真模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其是成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)研究必須依賴于仿真模型.通常，仿真模型要盡可能接近實(shí)際情況，同時(shí)易于修改和擴(kuò)展.文獻(xiàn)［1］針對(duì)少數(shù)節(jié)點(diǎn)的星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真建模，文獻(xiàn)［2］建立的模型使用全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制和GEAR路由.前者不符合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的要求，后者不符合外設(shè)資源有限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際條件.文獻(xiàn)［3］基于Worldsens的一部分WSNet建立了大規(guī)模節(jié)點(diǎn)模型XS－WSNet，但是Worldsens擴(kuò)展性能不理想.文獻(xiàn)［4］基于TinyOS的仿真組件TOSSIM建立了一個(gè)具有能量約束的分布式仿真模型，根據(jù)文獻(xiàn)［5］對(duì)仿真工具的對(duì)比分析，TOSSIM的使用比較復(fù)雜并且僅適用于MICA節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，不利于后續(xù)的開發(fā).文獻(xiàn)［5－6］均指出 OMNe T++是一款流行的、擴(kuò)展性能極好且運(yùn)行效率高的網(wǎng)絡(luò)仿真工具.故基于文獻(xiàn)［5－6］的分析，本文使用OMNeT++仿真工具，根據(jù)最新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ZigBee 2007建立一個(gè)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，該模型具有自組網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路由功能，基于模塊和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)便于后續(xù)開發(fā)者使用，為研究現(xiàn)實(shí)中部署大規(guī)模傳感器節(jié)點(diǎn)，如土地監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，提供可靠的參考模型.

1 OMNeT++簡(jiǎn)介

OMNeT++是一個(gè)優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真IDE(integrated development environment)，其開發(fā)界面類似于開發(fā)JAVA常用的ECLIPSE，平臺(tái)使用C++和NED(network description)作為開發(fā)語言.NED語言用于定義一個(gè)模塊，通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的向?qū)Ю泳湍茌p松掌握.模塊分為簡(jiǎn)單模塊和組合模塊，簡(jiǎn)單模塊的功能由用戶的C++代碼實(shí)現(xiàn)，組合模塊由簡(jiǎn)單模塊組合而成.

OMNeT++是基于離散事件驅(qū)動(dòng)的，一個(gè)事件即一個(gè)消息，仿真中的節(jié)點(diǎn)在接收到消息后進(jìn)行相關(guān)操作，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不再有消息傳遞時(shí)仿真停止運(yùn)行.OMNeT++中的圖形接口稱為Tkenv，它可以出色地顯示網(wǎng)絡(luò)連接的各種事件和狀態(tài)(比如收發(fā)消息、節(jié)點(diǎn)之間的連接狀態(tài)等)，并能對(duì)事件及數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì).

2 通信協(xié)議簡(jiǎn)介

IEEE 802.15.4－2003 協(xié)議［7］將設(shè)備分為全功能設(shè)備(full－function device，F(xiàn)FD)和簡(jiǎn)單功能設(shè)備(reduced－function device，RFD)，全功能設(shè)備根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的角色又可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(personal area network coordinator，PAN coordinator)和協(xié)調(diào)器(coordinator).在IEEE 802.15.4－2003標(biāo)準(zhǔn)中，簇狀網(wǎng)是一個(gè)多子網(wǎng)(cluster，也稱為簇)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示.圖1中的連線表示父設(shè)備與子設(shè)備的關(guān)系，不表示信息流.每個(gè)子網(wǎng)呈樹形展開，由一個(gè)簇頭(cluster head)負(fù)責(zé)與其他子網(wǎng)通信和維護(hù)本子網(wǎng)通信.簇頭在子網(wǎng)內(nèi)的16 bit短地址(short address)為0，在子網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備的短地址由簇頭分配.

圖1 IEEE 802.15.4－2003定義的簇狀網(wǎng)Fig.1 Cluster-tree network defined by IEEE 802.15.4-2003

ZigBee協(xié)議［8］是 ZigBee 聯(lián)盟根據(jù)IEEE 802.15.4－2003標(biāo)準(zhǔn)制訂的低速率、低功耗、全雙工的無線通信協(xié)議，最新的ZigBee 2007(下文均稱為Zig－Bee Specification)是目前惟一獲得ZigBee聯(lián)盟董事會(huì)許可的版本.

ZigBee Specification將設(shè)備分為協(xié)調(diào)器(ZigBee coordinator)、路由器(ZigBee router)和終端設(shè)備(ZigBee enddevice).ZigBee協(xié)調(diào)器即IEEE 802.15.4－2003的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器即IEEE 802.15.4－2003的路由器，ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee路由器都是全功能設(shè)備，兩者的角色是可以互相轉(zhuǎn)換的.ZigBee終端設(shè)備即IEEE 802.15.4－2003的簡(jiǎn)單功能設(shè)備，簡(jiǎn)單功能設(shè)備之間不能直接進(jìn)行通信，要通過其父節(jié)點(diǎn)(全功能設(shè)備)進(jìn)行通信.ZigBee Specification描述的通信過程不涉及網(wǎng)間通信，即ZigBee網(wǎng)絡(luò)僅僅描述圖1中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器所在的子網(wǎng)而不涉及其他子網(wǎng).

在本文中，ZigBee簇狀網(wǎng)指ZigBee Specification中的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(mesh network)，把每個(gè)路由器及其子設(shè)備看成一個(gè)簇，如圖2所示.

圖2 ZigBee Specification定義的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Mesh network defined by ZigBee Specification

3 ZigBee簇狀網(wǎng)的仿真模型設(shè)計(jì)

本模型設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模ZigBee節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路由，為研究ZigBee節(jié)點(diǎn)部署提供參考依據(jù)，故模型包含了介質(zhì)訪問控制層和網(wǎng)絡(luò)層的組網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路由功能，如圖3所示，應(yīng)用層僅用于產(chǎn)生凈載荷.

通常，建立模型前需要提出一些假設(shè)條件，本模型做如下假設(shè):1)信道是無損、無延遲的理想信道;2)鑒于ZigBee路由器與ZigBee協(xié)調(diào)器的角色可以相互轉(zhuǎn)換，認(rèn)為所有ZigBee路由器都可作為潛在的ZigBee協(xié)調(diào)器，模型中不單獨(dú)設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)調(diào)器;3)網(wǎng)內(nèi)通信使用16 bit短地址，且短地址為靜態(tài)分配，使用OMNeT++給模塊分配的ID號(hào)作為短地址;4)廣播消息不設(shè)置重發(fā).在以上假設(shè)條件下，仿真模型設(shè)計(jì)如下.

圖3 ZigBee節(jié)點(diǎn)模型Fig.3 Node model of ZigBee

3.1 參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可以選取任意值，出于仿真時(shí)間成本的考慮，總共使用500個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表1.

表1 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Parameters of the network

3.2 幀格式

關(guān)于幀格式的細(xì)節(jié)請(qǐng)查閱文獻(xiàn)［8－9］，本文對(duì)幀格式做了適當(dāng)簡(jiǎn)化:數(shù)據(jù)包(packet)包括MAC層幀頭(如表2所示)和網(wǎng)絡(luò)層消息.網(wǎng)絡(luò)層消息有4種，包括連接請(qǐng)求消息、連接確認(rèn)消息、路由請(qǐng)求消息和路由應(yīng)答消息，網(wǎng)絡(luò)層消息由網(wǎng)絡(luò)層幀頭和網(wǎng)絡(luò)層載荷組成，如表3～7所示.

表2 MAC層幀頭Table 2 MAC header

表3 網(wǎng)絡(luò)層幀頭Table 3 NWK header

表4 連接請(qǐng)求消息的網(wǎng)絡(luò)層載荷Table 4 Payload field of the connection request command

表5 連接確認(rèn)消息的網(wǎng)絡(luò)層載荷Table 5 Payload field of the connection confirm command

表6 路由請(qǐng)求消息的網(wǎng)絡(luò)層載荷Table 6 Payload field of the routing request command

表7 路由應(yīng)答消息的網(wǎng)絡(luò)層載荷Table 7 Payload field of the routing reply command

3.3 自組網(wǎng)

由文獻(xiàn)［8］得知2.4GHz ZigBee模塊 CC2430的傳輸距離約為100 m.組網(wǎng)過程中，ZigBee終端設(shè)備向其通信半徑內(nèi)最近的ZigBee路由器發(fā)出連接請(qǐng)求，ZigBee路由器之間也互相發(fā)送連接請(qǐng)求，請(qǐng)求成功后相互將對(duì)方添加到自己的鄰居表中.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在750 m×750 m的區(qū)域內(nèi)，連接過程可用偽代碼表示為:這里需要說明的是，“＜－－＞”在NED語言中表示2個(gè)門(gates)之間互連，門即消息傳遞的接口.

3.4 路由算法

ZigBee協(xié)議規(guī)范使用的路由算法是經(jīng)典的AODV(Ad hoc on－demand distance vector)算法［10］，該算法依賴于2個(gè)表——路由發(fā)現(xiàn)表(route discovery table)和路由表(route table)，分別如表8～9所示.

表8 路由發(fā)現(xiàn)表Table 8 Route discovery table

表9 路由表Table 9 Route table

啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)后，ZigBee路由器向通信距離內(nèi)的其他路由器廣播路由請(qǐng)求，發(fā)起或轉(zhuǎn)播路由請(qǐng)求的ZigBee路由器均建立以上2個(gè)表.其中路由發(fā)現(xiàn)表記錄了路由請(qǐng)求ID、發(fā)起路由的源地址、轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的地址、前向代價(jià)(路由請(qǐng)求消息中的pathCost)、后向代價(jià)(路由應(yīng)答消息中的pathCost)以及路由發(fā)現(xiàn)超時(shí)時(shí)間.路由表中記錄了路由請(qǐng)求的目的地址、路由的下一跳地址和路由狀態(tài).

當(dāng)先后抵達(dá)ZigBee路由器的2個(gè)路由請(qǐng)求的routeRequestID和sourceAddress均相同時(shí)，路由器只轉(zhuǎn)播前向代價(jià)最小的請(qǐng)求，同時(shí)更新路由發(fā)現(xiàn)表.當(dāng)多個(gè)路由請(qǐng)求均指向同一個(gè)目的地址時(shí)，路由器在其路由表中僅建立一個(gè)與目的地址相應(yīng)的記錄，同時(shí)在其路由發(fā)現(xiàn)表中建立幾個(gè)不同的路由請(qǐng)求記錄，如圖4所示.

當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到路由請(qǐng)求，它就給發(fā)送路由請(qǐng)求的鄰居回發(fā)一個(gè)路由應(yīng)答.在接收到路由應(yīng)答后，ZigBee路由器更新路由表的nextHopAddress，使之成為最小后向代價(jià)的應(yīng)答消息的發(fā)送者.最后，從路由表中的nextHopAddress可確定一條從路由源地址到目的地址的代價(jià)最小路徑.

圖4 路由發(fā)現(xiàn)表與路由表的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 The relationship between route discovery table and route table

3.5 凈載荷(goodput)

組網(wǎng)完成后，在終端設(shè)備上每10 s隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)地址，若該地址與自己的地址相同，則終端設(shè)備生成一個(gè)數(shù)據(jù)包(data)，并隨機(jī)挑選一個(gè)ZigBee路由器作為目的節(jié)點(diǎn).

4 仿真結(jié)果

ZigBee簇狀網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)放大后如圖5所示，圖中連線表示2個(gè)設(shè)備成功連接，end表示enddevice，rte表示 router.

圖5 路由器將終端設(shè)備的數(shù)據(jù)包暫存Fig.5 The data packet temporary storage in routers

圖5中，end［346］要給 rte［84］發(fā)送 1 個(gè)數(shù)據(jù)包，先將數(shù)據(jù)包發(fā)給其父節(jié)點(diǎn) rte［39］，由于 rte［39］不是數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)rte［84］不是rte［39］的鄰居，并且 rte［39］沒有 rte［84］的相應(yīng)路由記錄，所以rte［39］只能將數(shù)據(jù)包暫存并為該數(shù)據(jù)包尋找路由.

當(dāng)rte［39］成功收到路由應(yīng)答后，它先更新路由表，然后從數(shù)據(jù)隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包的目的地址與路由表中的目的地址比對(duì)，若相同且路由表狀態(tài)為ACTIVE，則將數(shù)據(jù)包發(fā)給路由表中nextHopAddress對(duì)應(yīng)的鄰居.鄰居繼續(xù)沿路由表中對(duì)應(yīng)的nextHopAddress轉(zhuǎn)發(fā)下去，最后rte［84］成功接收到end［346］發(fā)給它的數(shù)據(jù)包，如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)包成功路由到目的地址Fig.6 The data packet has been successfully routed to its destination

5 結(jié)束語

為研究大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署提供參考，通過分析IEEE 802.15.4和ZigBee2007協(xié)議，運(yùn)用開源、構(gòu)件化、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具OMNeT++建立了大規(guī)模ZigBee節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)仿真模型.仿真結(jié)果表明，該模型具有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)和路由功能，為研究現(xiàn)實(shí)中部署ZigBee節(jié)點(diǎn)提供了可靠友好的仿真環(huán)境.后續(xù)的工作可以分3個(gè)方向:1)繼續(xù)完善本模型，如增加節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性能，改進(jìn)信道模型，增加傳感模塊和能量模塊等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、能量效率、安全加密等功能，以滿足部署ZigBee節(jié)點(diǎn)的研究需要;2)加入不同的無線傳感器通信協(xié)議，比較不同協(xié)議之間的性能;3)基于不同的仿真工具開發(fā)仿真模型，比較各個(gè)模型的性能，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合提供量材定制的仿真環(huán)境.

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牟杰，男，1987年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò).

蔡自興，男，1938年生，教授，博士生導(dǎo)師，首屆國家級(jí)教學(xué)名師獎(jiǎng)、寶鋼教育基金優(yōu)秀教師特等獎(jiǎng)和徐特立教育獎(jiǎng)獲得者，國際導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng)控制科學(xué)院院士、紐約科學(xué)院院士，任中國人工智能學(xué)會(huì)第5屆理事會(huì)副理事長及智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)主任、中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事、中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)模式識(shí)別與人工智能專委會(huì)委員等.主要研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)、人工智能、智能控制、智能機(jī)器人等.主持并完成包括國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目在內(nèi)的科教研究項(xiàng)目30余項(xiàng)，其中獲國際獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)、國家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)、省部級(jí)等獎(jiǎng)勵(lì)15項(xiàng).發(fā)表學(xué)術(shù)論文660余篇，出版專著、教材32部.

劉麗玨，女，1973年生，副教授，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋⒅悄苡?jì)算、傳感器網(wǎng)絡(luò)、多機(jī)器人等.

A simulation of the ZigBee cluster-tree network in OMNeT++

MOU Jie，CAI Zixing，LIU Lijue
(Institute of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

ZigBee 2007 offers full wireless mesh networking capable of supporting more than 64，000 devices on a single wireless sensor network.Due to immature markets and technology，a deployment with hundreds of thousands of nodes does not exist at present.By using the OMNeT++simulation IDE，a simulation model of a large－scale network according to the ZigBee 2007 protocol was created which aimed at providing a reference model for deploying a large－scale sensor network.The model implemented the networking and routing functions of the network layer and medium access control layer according to the ZigBee 2007 protocol，and successfully established an ad－h(huán)oc network while transmitting data internally.For these reasons，it can be used for the study of deploying a large－scale ZigBee network.

ZigBee;OMNeT++;AODV;large－scale network;simulation model

TP393

A

1673－4785(2012)01－0056－05

10.3969/j.issn.1673－4785.201107001

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20120210.1640.001.html

2011－07－03. 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2012－02－10.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(90820302，61175064).

牟杰.E－mail:JoeccMou@csu.edu.cn.