◆趙向陽

（西藏大學(xué)藏文信息技術(shù)研究中心 西藏 850000）

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能影響的仿真研究

◆趙向陽

（西藏大學(xué)藏文信息技術(shù)研究中心 西藏 850000）

在給定的通信范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的影響因素之一。首先利用OPNET軟件中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型，搭建了具有魯棒性、低時延特點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲且不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中的節(jié)點均由單個協(xié)調(diào)器進行管理維護。其次從網(wǎng)絡(luò)容量、數(shù)據(jù)傳輸和時延三個方面收集網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)數(shù)據(jù)，進而對比研究不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。網(wǎng)絡(luò)容量指標(biāo)通過吞吐量與負載的關(guān)系體現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)使用網(wǎng)絡(luò)層的丟包數(shù)及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)收發(fā)量表示，而時延指標(biāo)則包括平均端到端時延、排隊時延和處理時延。最后將數(shù)據(jù)分類并從全局統(tǒng)計量和局部統(tǒng)計量兩個角度分析對比得出，當(dāng)5km★5km通信范圍內(nèi)的路由器設(shè)備和終端設(shè)備分別控制在29—33個和63—84個范圍內(nèi)時，ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能較好。

ZigBee；OPNET；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；網(wǎng)絡(luò)性能

0 引言

目前，ZigBee技術(shù)多用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集傳輸與控制，涉及工業(yè)控制、醫(yī)護設(shè)備、智能家居、環(huán)境監(jiān)測及智能旅游等多個領(lǐng)域，具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、工作頻段靈活等特點。由于ZigBee技術(shù)搭建的網(wǎng)絡(luò)可滿足不同應(yīng)用場景的通信需求，網(wǎng)絡(luò)性能的好壞則直接影響用戶體驗，間接影響服務(wù)廠商的收益與口碑。隨著ZigBee網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)量的增加，此時在網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)（如網(wǎng)絡(luò)拓撲、路由算法和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等）、MAC層參數(shù)（如信道接入機制等）及物理層參數(shù)（如物理層信號質(zhì)量、信道能量水平等）等確定的前提下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能會受到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量）的制約。

目前，ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能影響因素的研究包括路由算法、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、MAC層確認機制及信標(biāo)模式等，評價指標(biāo)則包括吞吐量、丟包率、時延和能量消耗等。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的關(guān)系只限于理論研究和小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

1 構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型

建模是利用仿真軟件將實際系統(tǒng)映射到具有同等性的仿真系統(tǒng)的過程[15]。實際建模過程則要求研究者抓住主要而簡化甚至忽略不重要的層次或方面以逼近實際系統(tǒng)，進而實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的同等性。因此，合理的網(wǎng)絡(luò)模型必須在滿足預(yù)定義的前提條件下，精確地映射實際需求，解釋待研究的問題。本文中ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建模是在進程層次、節(jié)點層次和網(wǎng)絡(luò)層次等三個層次建模的基礎(chǔ)上，突出網(wǎng)絡(luò)層次中網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響因素，進而簡化進程層次和節(jié)點層次影響因素的過程。該網(wǎng)絡(luò)模型的前提條件是在5km*5km的通信范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)由單個協(xié)調(diào)器管理和維護，為事件驅(qū)動的應(yīng)用需求提供通信服務(wù)；而通過設(shè)置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲及隨機業(yè)務(wù)量以提高映射精確度。

OPNET的ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型提供三種節(jié)點設(shè)備模型，即協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由器設(shè)備和終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)模型中的ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)啟動和配置一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路由器設(shè)備負責(zé)實現(xiàn)設(shè)備間的路由功能以擴展覆蓋范圍，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備（包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備）。因此，結(jié)合ZigBee技術(shù)特點，本文的網(wǎng)絡(luò)模型在同一個工程文件下，創(chuàng)建了九個不同的場景，不同的場景具有不同數(shù)量的路由器設(shè)備和終端設(shè)備，但每個場景內(nèi)均只有一個協(xié)調(diào)器設(shè)備。隨著場景每加一，場景內(nèi)的路由器數(shù)量和終端設(shè)備數(shù)量分別增加4和22個。如場景1包括20個路由器數(shù)、22個終端設(shè)備，總計43個設(shè)備；則場景2包括24個路由器設(shè)備、44個終端設(shè)備，總計69個設(shè)備，以此類推。

在OPNET提供的ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型中，終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備、終端設(shè)備和路由設(shè)備間默認傳輸距離為1.2km，要實現(xiàn)終端設(shè)備通過路由器設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)與協(xié)調(diào)器設(shè)備或其他子網(wǎng)中的終端設(shè)備通信，則通信范圍需要保證終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器設(shè)備間的通信距離大于1.2km，而終端設(shè)備與路由器設(shè)備及路由器設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備間的距離小于1.2km。因此，本文的網(wǎng)絡(luò)模型中的數(shù)據(jù)只經(jīng)過一跳路由的轉(zhuǎn)發(fā)，則終端設(shè)備和協(xié)調(diào)設(shè)備間的直線距離應(yīng)不小于2.4km。考慮到平面結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)器水平和垂直兩側(cè)均可以放置路由器，最終確定通信范圍為5km*5km。

OPNET的ZigBee模型還提供三種拓撲結(jié)構(gòu)，即星形拓撲、樹形拓撲和網(wǎng)狀形拓撲，網(wǎng)絡(luò)拓撲可通過協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)屬性設(shè)置。由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的拓撲采用完全對等的通信方式，當(dāng)節(jié)點設(shè)備數(shù)量增加時，可從一定程度上減輕路由器和協(xié)調(diào)器設(shè)備的負載。另一方面，OPNET軟件提供的事件驅(qū)動仿真機制可以模擬實際環(huán)境中的對實時性和可靠性要求的事件驅(qū)動應(yīng)用類型，網(wǎng)絡(luò)模型中所有節(jié)點應(yīng)用業(yè)務(wù)的目的節(jié)點設(shè)為隨機，應(yīng)用數(shù)據(jù)包大小為1024字節(jié)，包發(fā)送的時間間隔為1s。

2 仿真ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 配置統(tǒng)計量

根據(jù)建模和仿真步驟，在運行仿真之前，需要定義和配置需要收集的統(tǒng)計量。本文的統(tǒng)計量采用桶狀收集模式（bucket），即在設(shè)定的3600s的仿真時間內(nèi)將采樣結(jié)果疊加后平均，且每個統(tǒng)計量都有不同的收集范圍。統(tǒng)計量收集范圍分為全局統(tǒng)計量、協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量及路由器統(tǒng)計量，其中路由器統(tǒng)計量是對網(wǎng)絡(luò)中除協(xié)調(diào)器設(shè)備外所有路由器設(shè)備統(tǒng)計量的平均值。路由器統(tǒng)計量和全局統(tǒng)計量統(tǒng)稱為全局變量以體現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的行為和性能，而協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量作為局部變量只收集協(xié)調(diào)器設(shè)備在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的性能表現(xiàn)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計量的詳細配置如下：

負載（Load）表示網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點的上層每秒向MAC層提交的比特數(shù)；收集范圍包括全局統(tǒng)計量、協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量和路由器統(tǒng)計量。吞吐量（Throughput）代表網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點的MAC層每秒向上層傳遞的比特數(shù)；收集范圍包括全局統(tǒng)計量、協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量和路由器統(tǒng)計量。丟包數(shù)（Packets Dropped）只收集全局統(tǒng)計量，表示網(wǎng)絡(luò)層由于節(jié)點沒有加入網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致的丟包數(shù)。端到端時延（End-to-end Delay）表示創(chuàng)建和接收應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的時延和；收集范圍包括全局統(tǒng)計量和協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量。時延（MAC）某個節(jié)點的MAC層接收并向上層提交數(shù)據(jù)包的端到端時延；收集范圍包括協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量和路由器統(tǒng)計量。媒體接入時延（Media Access Delay）代表某個節(jié)點的MAC層傳輸數(shù)據(jù)幀時的排隊時延和競爭時延的總和；收集范圍包括協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量和路由器統(tǒng)計量。排隊時延（Queuing Delay）表示某個節(jié)點的MAC層由于網(wǎng)絡(luò)層引起的數(shù)據(jù)包的排隊時延；收集范圍包括協(xié)調(diào)器統(tǒng)計量和路由器統(tǒng)計量。

2.2 分析統(tǒng)計量

根據(jù)上述統(tǒng)計量配置運行仿真，本文將運行結(jié)果導(dǎo)出至txt文件，然后在excel表格內(nèi)從吞吐量與負載關(guān)系、數(shù)據(jù)傳輸和時延三方面對各種統(tǒng)計量進行整理說明。

（1）吞吐量與負載關(guān)系分析

本文首先將同一個收集范圍內(nèi)的吞吐量和負載同時縮小相同的倍數(shù)以便于觀察和處理，然后根據(jù)整理后的數(shù)據(jù)作散點圖。圖1表示協(xié)調(diào)器的負載和吞吐量關(guān)系，全局變量的散點圖不再給出。圖中橫坐標(biāo)為不同場景內(nèi)的負載，縱坐標(biāo)為不同場景下的吞吐量，散點則代表每個場景下的吞吐量和負載。散點圖中有一條從原點引出的與X軸成45度角的射線，散點距離射線越近，說明該散點對應(yīng)場景下的網(wǎng)絡(luò)性能較好。根據(jù)協(xié)調(diào)器的負載與吞吐量的走勢發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為場景3、4、5時，負載與吞吐量接近1：1的關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)資源的利用率最大。

圖1 吞吐量與負載關(guān)系

（2）數(shù)據(jù)傳輸情況分析

數(shù)據(jù)傳輸情況由直接統(tǒng)計的網(wǎng)絡(luò)層因未加入的節(jié)點設(shè)備導(dǎo)致的丟包數(shù)體現(xiàn)。數(shù)據(jù)收發(fā)量根據(jù)全局的數(shù)據(jù)收發(fā)速率與仿真時間3600s的乘積得到。圖2表示丟包數(shù)和網(wǎng)路規(guī)模的關(guān)系折線圖，橫坐標(biāo)使用場景編號代替網(wǎng)絡(luò)規(guī)模表示，縱坐標(biāo)則是丟包數(shù)。從圖2中可以直觀看出，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大增加了網(wǎng)絡(luò)層的丟包數(shù)，表明了整體網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而下降。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸情況

（3）時延分析

首先將時延數(shù)據(jù)分類，包括全局的端到端時延、路由器MAC時延、路由器媒體接入時延和路由器排隊時延，以及協(xié)調(diào)器的平均端到端時延、MAC時延、媒體接入時延和排隊時延等八個指標(biāo)數(shù)據(jù)。圖3利用折線圖的表示方式給出了八個時延指標(biāo)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的關(guān)系，橫坐標(biāo)仍然代表不同的場景，縱坐標(biāo)為不同場景下時延指標(biāo)數(shù)據(jù)值。實驗數(shù)據(jù)表明，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，協(xié)調(diào)器節(jié)點平均端到端時延受影響較大；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模符合場景3和場景4的數(shù)量時，網(wǎng)絡(luò)時延較小，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模合理。

圖3 時延

3 結(jié)語

在明確通信范圍及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的前提條件下，本文按照建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型，配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲，配置應(yīng)用層的隨機業(yè)務(wù)量，配置統(tǒng)計量，運行仿真等步驟，收集并分析統(tǒng)計量進而得出結(jié)論，即在一定的通信范圍內(nèi)，路由器設(shè)備和終端設(shè)備需要采取合理的數(shù)量規(guī)模，由單個協(xié)調(diào)器控制和維護的網(wǎng)絡(luò)性能才能達到最佳。但是，本文的研究還需要收集實際搭建的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的反饋，以補充和完善提出的理論。

[1]謝希仁．計算機網(wǎng)絡(luò)（第6版）[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

[2]張麗竹．ZigBee路由算法的研究與改進[D]．成都：電子科技大學(xué)，2012．

[3]李君茹，李雯瑞．基于opnet的zigbee拓撲結(jié)構(gòu)仿真分析研究[J]．信陽農(nóng)林學(xué)院學(xué)報，2014．

[4]趙艷玲，歐陽國軍．基于OPNET的ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能仿真研究[J]．廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015．

[5]邵媛媛．確認機制對ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的影響[J]．微型機與應(yīng)用，2015．

[6]蘭勇，陳志成．基于OPNET仿真的ZigBee信標(biāo)模式網(wǎng)絡(luò)性能研究[J]．計算機工程與科學(xué)，2015．

[7]馮艷如，孫運強，姚愛琴等．基于OPNET的Zigbee組網(wǎng)性能分析[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016．

[8]陳敏．OPNET物聯(lián)網(wǎng)仿真[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2015．