高承志 范賢學

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基于OMNeT++的無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議仿真

高承志 范賢學

（中國電子科技集團公司第二十八研究所）

采用OMNeT++軟件構建了基于ZigBee/IEEE 802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議仿真模型，并仿真驗證了關鍵參數(shù)（從設備的數(shù)量、BO和SO的取值、是否關閉GTS模式下的ACK等）對平均端到端時延和平均丟幀率的影響。

OMNeT++；無線傳感器網(wǎng)絡；通信協(xié)議；ZigBee；IEEE 802.15.4

0　引言

隨著電子信息和無線通信技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor networks，WSN）應用前景越來越廣闊，在許多重要領域都有著潛在的使用價值[1]。通信協(xié)議負責維護節(jié)點的互聯(lián)、實現(xiàn)信息傳輸，是無線傳感器網(wǎng)絡正常工作的關鍵性技術[2]。OMNeT++是面向對象的離散事件仿真工具，具有強大的圖形用戶界面接口和嵌入式仿真內核，可以用來仿真任何離散事件的系統(tǒng)，能夠建立目前幾乎所有網(wǎng)絡對象的基本模型之間的互聯(lián)，并且使復雜的網(wǎng)絡通信和拓撲結構得到簡單而正確的仿真[3]。本文基于OMNeT++構建了無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議仿真模型，并對關鍵指標進行分析。

1　通信協(xié)議仿真模型建立

ZigBee技術是一種新興的低成本的用于無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議，能最大限度地節(jié)省網(wǎng)絡中的能量，可隨時連接大量節(jié)點，具有較好的容錯性和魯棒性，已逐漸成為無線傳感器網(wǎng)絡的首選通信協(xié)議。ZigBee協(xié)議的結構主要由物理層（port physical layer，PHY）、媒體接入控制層（media access control，MAC）、網(wǎng)絡層和應用層組成。其中PHY和MAC層均采用IEEE 802.15.4標準，而網(wǎng)絡層和應用層的標準由ZigBee聯(lián)盟制定，各層之間均有數(shù)據(jù)服務接口和管理實體接口。

本文仿真過程中采用的軟件為OMNeT++ 4.6，建立的網(wǎng)絡模型基于Inetmanet Framework中的WPAN星狀網(wǎng)絡來實現(xiàn)。該模型較全面地實現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC和PHY，并可方便地擴展為基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡，在當前的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧仿真研究中被廣泛采用[4]。典型仿真運行場景如圖1所示。

圖1典型仿真運行場景

網(wǎng)絡模型采用IEEE802154StarNet，其中host[0]為網(wǎng)絡協(xié)調器（中心節(jié)點），host[1]至host[10]為從設備（傳感器節(jié)點）。信道控制模塊負責節(jié)點間連接的控制和維護，并獲取節(jié)點的位置和移動信息，來確定哪些節(jié)點在通信范圍內，供節(jié)點的無線接口在傳輸中使用。節(jié)點模型如圖2所示。

節(jié)點模型（IEEE802154Node）中各模塊的主要功能如下：

1) 通告版（notificationBoard）模塊，通告版模塊的主要功能是當有“事件”發(fā)生時，通知節(jié)點各模塊，如路由表發(fā)生變化、接口狀態(tài)變化（上/下）、接口配置變化、無線切換、改變無線信道和移動節(jié)點位置的變化等；

圖2　節(jié)點模型

2) 移動（mobility）模塊，主要功能是處理節(jié)點的移動并將節(jié)點的位置改變信息通知信道控制模塊，更新該節(jié)點相關的連接信息；

3) 顯示（disp）模塊，主要負責計算各節(jié)點的通信覆蓋范圍，并在運行時顯示；

4) 電池（battery）模塊，可以根據(jù)記錄的工作狀態(tài)時間、無線電功率等數(shù)值即時測量各個節(jié)點的能耗；

5) 應用（app）模塊，既可以用于模擬數(shù)據(jù)信息的產(chǎn)生，也可以用于收集并分析接收到的數(shù)據(jù)信息，支持多種產(chǎn)生數(shù)據(jù)的方式，如指數(shù)分布等；

6) 網(wǎng)絡（net）模塊，主要完成星狀網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包收發(fā)功能，包括中心節(jié)點到傳感器節(jié)點以及傳感器節(jié)點到中心節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送；

7) 接口（nic）模塊，又分為3個子模塊，如圖3所示。其中ifq模塊主要實現(xiàn)上層和MAC層之間的緩沖區(qū)功能；MAC模塊主要實現(xiàn)信道訪問管理、信標機制和協(xié)調器管理；PHY模塊實現(xiàn)了無線收發(fā)器的常見功能，如收發(fā)器狀態(tài)轉換、空閑信道評估等。

圖3　Nic模塊

2　仿真參數(shù)設置及評價指標

網(wǎng)絡和節(jié)點模型建立完成后，需要進行仿真參數(shù)的設置。OMNeT++中仿真參數(shù)可以在omnetpp.ini文件中設置，本仿真實驗設置的主要參數(shù)如下：

#網(wǎng)絡模型設置**.numHosts = 16 //節(jié)點數(shù)為16個，包含1個協(xié)調器和15個從設備**.constraintAreaMaxX = 300m //仿真場景大小設置為300 m×300 m**.constraintAreaMaxY = 300m#應用模塊參數(shù)設置**.host[0].app.isSink = true //設置節(jié)點0為流量匯點，收集并分析數(shù)據(jù)信息**.host[*].app.isSink = false**.app.packetSize = 50B //應用層包的大小**.app.interDepartureTime = exponential(1s) //采用指數(shù)傳輸類型**.host[*].app.trafDest = "host[0]" //目的地址為節(jié)點0#網(wǎng)絡模塊參數(shù)設置**.host[0].net.isPANCoor = true //在網(wǎng)絡層設置節(jié)點0為協(xié)調器**.host[*].net.isPANCoor = false#ifq模塊參數(shù)設置**.nic.ifqType = "DropTailQueue" //配置采用的ifq模塊類型**.ifq.frameCapacity = 1 //緩沖區(qū)容量#MAC模塊參數(shù)設置**.host[0].**.mac.isPANCoor = true //在MAC層設置節(jié)點0為協(xié)調器**.host[*].**.mac.isPANCoor = false**.mac.panCoorName = "host[0]"**.mac.BO = 8 //在[1,14]范圍內選取BO值**.mac.SO = 7 //在[0, BO)范圍內選取SO值# GTS設置**.host[*].**.mac.ack4Gts = true //需要確認幀**.host[*].**.mac.gtsPayload = 10 //GTS負載大小**.host[*].**.mac.dataTransMode = 1 //傳輸模式1:direct; 2:indirect; 3: GTS#PHY模塊參數(shù)設置**.phy.channelNumber = 11 //信道數(shù)11個，默認采用2.4GHz頻段的信道**.phy.transmitterPower = 1.0mW //發(fā)射功率**.phy.sensitivity = -90dBm //靈敏度設置

在本實驗中，用來評估仿真結果的主要指標包括：

1) 平均端到端時延（mean end-to-end delay，meanE2EDelay），其統(tǒng)計的是從設備成功發(fā)送數(shù)據(jù)包給協(xié)調器的平均時延，具體計算方法為

平均端到端時延 = 協(xié)調器接收數(shù)據(jù)包的總時延÷協(xié)調器收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)

2) 平均丟幀率（meanLossRate），是通過PHY模塊每50個包的丟幀率平均計算得來。丟幀有2種可能，一是碰撞，二是正在執(zhí)行CCA。PHY模塊每50個包的丟幀率計算方法為

丟幀率 = 丟棄的幀數(shù)量÷（成功接收的幀數(shù)量+丟棄的幀數(shù)量）

3　仿真結果及分析

本文共進行了3個仿真試驗，仿真一驗證了從設備數(shù)量的影響；仿真二驗證了BO和SO取值的影響；仿真三驗證了GTS模式下是否需要ACK的影響。

3.1驗證從設備數(shù)量的影響

分別將從設備的數(shù)量設置為3個和15個（即numHosts設為4、16），來測試星型網(wǎng)絡內從設備數(shù)量的增加對平均端到端時延和平均丟幀率2個指標的影響。圖4是不同從設備數(shù)量情況下平均端到端時延的仿真結果；圖5是平均丟幀率的仿真結果。

從仿真結果可以看出，從設備數(shù)量從3增大到15后，平均端到端時延并沒有十分明顯的變化，而平均丟幀率卻從不到0.03增大到了0.08以上。因此，從設備數(shù)量的增加帶來了明顯的平均丟幀率的增加。

(a)從設備數(shù)量為3

(b)從設備數(shù)量為15

圖4不同從設備數(shù)量情況下平均端到端時延比較

圖5(a)從設備數(shù)量為3

(b) 從設備數(shù)量為15

圖5不同從設備數(shù)量情況下平均丟幀率比較

3.2驗證BO和SO值的影響

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡中，有信標模式和非信標模式2種通信模式可供選擇。在信標模式中，協(xié)議引入超幀的概念，實現(xiàn)協(xié)調器和從設備之間的同步，超幀的活動部分分為信標、競爭訪問周期（contention access period，CAP）和非競爭周期（contention free period，CFP）3個部分。信標指數(shù)（beacon order，BO）決定了發(fā)送信標幀的周期，超幀指數(shù)（superframe order，SO）決定了一個超幀中活動部分持續(xù)的時間，且滿足0<=SO<=BO<=14。

從設備的數(shù)量設置為15個（即numHosts設為16），BO的取值由8改為4，SO的取值由7改為3，其他參數(shù)保持omnetpp.ini文件中的設置不變，測試星型網(wǎng)絡內BO和SO取值的減小對平均端到端時延和平均丟幀率2個指標的影響。圖6是不同BO和SO取值情況下平均端到端時延的仿真結果；圖7是平均丟幀率的仿真結果。

從仿真結果可以看出，當BO和SO的取值變小之后，平均端到端時延從0.5 s多下降到了0.05 s左右，而平均丟幀率也從0.08以上減小到了不足0.04。因此，減小BO和SO的取值可以顯著降低平均端到端時延和平均丟幀率。

3.3驗證GTS模式下是否需要ACK的影響

GTS機制是在超幀的非競爭周期（CFP）階段所采用的信道管理機制，節(jié)點申請到GTS服務后，在CFP階段無需進行信道競爭就可以進行通信。

(a) BO=8，SO=7

(b) BO=4，SO=3

圖6不同BO和SO取值情況下平均端到端時延比較

該仿真需要在omnetpp.ini文件中更改的主要設置如下：

**.numHosts = 3 //1個協(xié)調器，2個從設備**.host[0].app.isSink =false //應用模塊不需設置sink節(jié)點**.host[1].app.trafDest="host[0]" //host[1]的應用數(shù)據(jù)發(fā)給host[0]**.host[0].app.trafDest = "host[2]" //host[0]的應用數(shù)據(jù)發(fā)給host[2]**.mac.BO = 5**.mac.SO = 4**.host[*].**.mac.dataTransMode = 3**.host[1].**.mac.isRecvGTS = false // host[1]為GTS數(shù)據(jù)發(fā)送方**.host[2].**.mac.isRecvGTS = true //host[2]為GTS數(shù)據(jù)接收方

在GTS模式下，本實驗的數(shù)據(jù)傳輸模式是host[1]通過host[0]轉發(fā)數(shù)據(jù)給host[2]。本試驗測試對比了需要ACK和不需要ACK情況下的平均端到端時延。仿真結果見圖8。

從仿真結果可以看出，關閉ACK之前，平均端到端時延超過了1.4s；而關閉ACK之后，平均端到端時延僅有不足0.4 s。因此，在假定網(wǎng)絡環(huán)境一致且不考慮關閉ACK帶來的網(wǎng)絡丟包、網(wǎng)絡重傳等問題的條件下，GTS模式下關閉ACK可以顯著地降低平均端到端時延。

(a) 需要ACK

(b) 不需ACK

圖8需要和不需要ACK情況下meanE2EDelay比較

4　結語

本文采用OMNeT++軟件對基于IEEE 802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議進行了仿真，仿真結果顯示：從設備數(shù)量的增加會帶來明顯的平均丟幀率的增加；減小BO和SO的取值可以顯著降低平均端到端時延和平均丟幀率；關閉GTS模式下的ACK可以顯著地降低平均端到端時延。仿真結果將對不同應用場景下無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇及優(yōu)化改進起到一定的參考作用。

參考文獻：

[1] 陳林星.無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2] 陸冰.實用無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計及通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學,2011.

[3] 王俊義,魏延恒,仇洪冰,等.OMNeT++網(wǎng)絡仿真[M].西安:西安電子科技大學出版社,2014.

[4] 夏鋒.OMNeT++網(wǎng)絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2013.

Simulation of WSN Communication Protocol Based on OMNeT++

Gao Chengzhi Fan Xianxue

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation)

By using the OMNeT++, this paper builds a simulation model for WSN communication protocol based on ZigBee/IEEE802.15.4 standard, and simulates the mean E2E Delay and mean Loss Rate in different parameter settings including the quantity of slave device, the value of BO and SO, sending the ACK in GTS mode or not.

OMNeT++; WSN; Communication Protocol; ZigBee; IEEE802.15.4

高承志，男，1980年生，高級工程師，主要研究方向：通信工程和信息系統(tǒng)總體技術。E-mail: cgaochengzhi@163.com

范賢學，男，1985年生，工程師，主要研究方向：通信工程和信息系統(tǒng)總體技術。