基于OPNET的IEEE802.15.4無線簇樹網(wǎng)絡(luò)仿真

唐 忠， 王遠(yuǎn)東

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

基于OPNET的IEEE802.15.4無線簇樹網(wǎng)絡(luò)仿真

唐 忠， 王遠(yuǎn)東

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

簇樹網(wǎng)絡(luò)是一種典型的基于基礎(chǔ)設(shè)施無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有確定的通信路徑和可預(yù)測(cè)的通信延遲，可用于實(shí)時(shí)性能要求較高的應(yīng)用.目前無線簇樹網(wǎng)絡(luò)缺乏有效的仿真平臺(tái)，為此,采用OPNET設(shè)計(jì)IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)模型及其分層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)模式超幀中帶時(shí)隙的CSMA/CA和GTS機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、應(yīng)用數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、路由和接收等功能.建立一個(gè)三層的簇樹網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明:仿真模型支持協(xié)議規(guī)定的通信功能，正確地完成網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，可以用于無線簇樹網(wǎng)絡(luò)的研究和分析.

簇樹網(wǎng)絡(luò)； IEEE802.15.4； OPNET； 仿真模型； 仿真實(shí)驗(yàn)

簇樹型網(wǎng)絡(luò)是一種典型的基于基礎(chǔ)設(shè)施無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).它將整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)劃分為若干簇，每個(gè)簇包括一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)成員節(jié)點(diǎn).簇首管理簇內(nèi)的成員,調(diào)度簇內(nèi)通信,轉(zhuǎn)發(fā)簇間的信息.一個(gè)簇的簇首還可以是另一個(gè)簇的成員節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成一種樹狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).簇樹型網(wǎng)絡(luò)具有確定的通信路徑和可預(yù)測(cè)的通信延遲,有著較低的設(shè)備能耗和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)復(fù)雜度，并具有較好的擴(kuò)展性[1].

然而無線簇樹網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中也存在著一定問題，例如簇的形成和管理、相鄰簇間的通信干擾和沖突等.目前對(duì)無線簇樹網(wǎng)絡(luò)的研究相對(duì)較少.IEEE802.15.4[2]是一種低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，提供了基于競(jìng)爭(zhēng)和無競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)鏈路層信道訪問方法和物理層規(guī)范，支持Mesh、星型和簇樹網(wǎng)絡(luò).我們將基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)地研究簇樹網(wǎng)絡(luò)中存在的問題.

建模和仿真是無線網(wǎng)絡(luò)研究和分析的一個(gè)重要手段，然而目前IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)缺乏有效的仿真平臺(tái).常用的通信仿真工具，如OPNET、NS-2和OMNET++等的仿真模型庫不支持IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)；Zheng[3]和Chen[4]等完善了NS-2和OMNET++中的IEEE802.15.4模型，但只支持星型網(wǎng)絡(luò)；Hurtado[5]和Jurcik[6]也分別擴(kuò)展了OMNET++和OPNET 的仿真庫以支持簇樹網(wǎng)絡(luò)，但缺乏詳細(xì)的仿真模型資料.國內(nèi)也沒有這方面的研究，有關(guān)的仿真分析都是基于仿真工具的模型庫，仿真的有效性存在問題.為更好地進(jìn)行無線簇樹網(wǎng)絡(luò)研究，我們?cè)贠PNET仿真模型庫和Jurcik等人工作的基礎(chǔ)之上，建立了IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)的仿真模型.該仿真模型支持IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)的通信功能，可用于簇樹網(wǎng)絡(luò)性能、能耗等方面的分析和驗(yàn)證.

1 IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)及其通信協(xié)議

IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)(圖1)，包含3類不同作用的設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于組織、控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并作為網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)；路由器(協(xié)調(diào)器)作為一個(gè)簇的簇首組織簇內(nèi)通信，并轉(zhuǎn)發(fā)簇間通信；端設(shè)備則作為簇中的葉子節(jié)點(diǎn)，用于現(xiàn)場(chǎng)信息的收發(fā).

圖1 IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)

IEEE802.15.4物理層提供了3種頻段：2.4 GHz、915 MHz和868 MHz，對(duì)應(yīng)的傳輸速率分別為250 kbps、40 kbps和20 kbps，這些頻段都基于DSSS直序擴(kuò)頻技術(shù).物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)送、信道能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量檢測(cè)、空閑信道

評(píng)估和信道頻率選擇等功能.

IEEE802.15.4 MAC層負(fù)責(zé)解析從物理層收到的數(shù)據(jù)包，并對(duì)來自網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝發(fā)送到物理層.MAC層協(xié)議支持信標(biāo)(beacon)和非信標(biāo)的操作模式.在信標(biāo)操作模式中，協(xié)調(diào)器周期性地產(chǎn)生以信標(biāo)開始的超幀；而非信標(biāo)模式中，設(shè)備以無時(shí)隙的CSMA/CA方式通信.超幀是一種周期性的信道訪問方式，它分為活動(dòng)段和休眠段兩部分，活動(dòng)段又包括信標(biāo)、競(jìng)爭(zhēng)訪問段(CAP)和非競(jìng)爭(zhēng)訪問段(CFP)(圖2).CAP內(nèi)采用帶時(shí)隙的CSMA/CA信道訪問機(jī)制，CFP內(nèi)采用GTS(Guaranteed Time Slot)機(jī)制.超幀的活動(dòng)段被劃分為16個(gè)等長的時(shí)隙.簇首根據(jù)成員設(shè)備的申請(qǐng)分配GTS，一個(gè)超幀中最多可以有7個(gè)GTS.如果申請(qǐng)成功，設(shè)備就可以在所分配的GTS內(nèi)周期地收發(fā)數(shù)據(jù).MAC層參數(shù)可以設(shè)置超幀、活動(dòng)段長度及超幀的開始時(shí)間等.

圖2 IEEE802.15.4的超幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.15.4沒有定義網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，而由ZigBee[7]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層完成網(wǎng)絡(luò)的組建、尋址、路由、設(shè)備加入和離開等功能.簇樹網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)確定：Cm用于設(shè)置簇中包含的最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)(Cm≤7)；Rm設(shè)置簇子節(jié)點(diǎn)中最大路由器數(shù)量；Lm設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的最大深度.網(wǎng)絡(luò)層的地址分配和路由也由這些參數(shù)確定.應(yīng)用層則定義了相應(yīng)的應(yīng)用對(duì)象和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通信和管理服務(wù).

2 IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)的OPNET仿真建模

2.1 節(jié)點(diǎn)模型

在基于OPNET的IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)仿真模型中，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和端設(shè)備3種設(shè)備.3種設(shè)備的節(jié)點(diǎn)模型(如圖3所示)中都包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層模塊，分別與通信協(xié)議的層次對(duì)應(yīng)，同時(shí)還包含電池模塊.應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和電池采用處理器模塊，MAC層采用隊(duì)列模塊，而物理層由無線接收器和發(fā)射器模塊構(gòu)成.不同設(shè)備的模塊根據(jù)協(xié)議的定義在具體功能上具有差異.

圖3 IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

2.2 應(yīng)用層進(jìn)程模型

仿真模型的應(yīng)用層簡化了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的定義，只完成設(shè)備實(shí)時(shí)(real time)和非實(shí)時(shí)(best effort)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生、發(fā)送、從網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)包和確認(rèn)等功能.應(yīng)用層進(jìn)程模型包含初始(init)、空閑(idle)、發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(send RT)、發(fā)送非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(send BE)、接收包(receive pck)等狀態(tài),如圖4所示.應(yīng)用層數(shù)據(jù)通信中的Start Time和Stop Time屬性定義產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的開始和終止時(shí)間，Packet Interarrival Time屬性定義數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的分布方式和參數(shù)，Packet Size定義數(shù)據(jù)包的大小.另外應(yīng)用層還定義了用于網(wǎng)絡(luò)仿真的端到端延遲、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等統(tǒng)計(jì)量.

圖4 應(yīng)用層進(jìn)程模型

2.3 網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)程模型

網(wǎng)絡(luò)層的功能也經(jīng)過簡化，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)從應(yīng)用層和MAC層收到的數(shù)據(jù)包的處理、轉(zhuǎn)發(fā)、路由和設(shè)備地址檢查等功能.

網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)程模型包含初始(init)、空閑(idle)、從應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)包(from APPL)和從MAC層接收數(shù)據(jù)包(from MAC)等狀態(tài).如圖5所示.模型定義了設(shè)備深度、Lm、Cm、Rm等屬性.模型利用這些參數(shù)和協(xié)議規(guī)定的分級(jí)尋址機(jī)制完成設(shè)備地址檢查和層次路由等功能.

圖5 網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)程模型

2.4 MAC層進(jìn)程模型

MAC層進(jìn)程模型(如圖6所示)是整個(gè)仿真模型的核心，它支持信標(biāo)通信模式，實(shí)現(xiàn)了帶時(shí)隙的CSMA/CA和GTS兩種信道訪問機(jī)制的超幀.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器負(fù)責(zé)發(fā)送各自簇中的信標(biāo)、設(shè)置超幀、分配和維護(hù)GTS.模型分別為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀建立了FIFO緩沖區(qū)，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包先在緩沖區(qū)中排隊(duì)，然后由MAC層再發(fā)送到物理層.物理層收到的幀則經(jīng)由MAC層直接傳遞給網(wǎng)絡(luò)層.

模型的init狀態(tài)用于初始化MAC層的通信參數(shù).beacon狀態(tài)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送自己的信標(biāo)，所有設(shè)備解析所收到的幀：如果是簇首信標(biāo)則完成超幀的設(shè)置，并進(jìn)行GTS申請(qǐng)、分配；如果是數(shù)據(jù)幀則向網(wǎng)絡(luò)層傳遞.帶時(shí)隙的CSMA/CA機(jī)制包含init_backoff、backoff_timer和CCA等狀態(tài)，用于完成回退、CCA和發(fā)送等過程.gts_slot狀態(tài)在設(shè)備所分配的GTS中完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信.所有功能由所設(shè)計(jì)的進(jìn)程函數(shù)和OPNET庫函數(shù)實(shí)現(xiàn).周期性的信標(biāo)、GTS等采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)，在對(duì)應(yīng)的時(shí)刻產(chǎn)生中斷.非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和GTS申請(qǐng)等命令采用事件驅(qū)動(dòng)，由事件產(chǎn)生中斷.中斷處理函數(shù)根據(jù)中斷類型調(diào)用程序完成相應(yīng)功能.

圖6 MAC層進(jìn)程模型

模型的MAC層屬性規(guī)定超幀和活動(dòng)段的長度、通信開始時(shí)間、CSMA/CA最大回退次數(shù)和最小回退指數(shù)、緩沖區(qū)大小等；GTS屬性確定設(shè)備所需GTS的方向、數(shù)量、開始時(shí)間、停止時(shí)間和緩沖區(qū)等.模型還定義了與實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)通信相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量.

MAC層模型對(duì)信道掃描、設(shè)備關(guān)聯(lián)、離開和加入等功能沒有以原語方式實(shí)現(xiàn)，而是由人工設(shè)置完成，但這不影響模型的通信過程.

2.5 物理層和電池進(jìn)程模型設(shè)計(jì)

物理層的無線接收器和發(fā)射器采用OPNET仿真庫中的ZigBee物理層模型，使用2.4 GHz頻率范圍、250 kbps速率、QPSK調(diào)制技術(shù)，傳輸功率為1 mW.同時(shí)，還可以設(shè)置背景噪聲、干擾、傳輸延遲、天線增益和比特錯(cuò)誤率等屬性.

電池模型(圖7)用于計(jì)算數(shù)據(jù)收發(fā)過程中的能耗和剩余的電量，其屬性包括電池的類型和初始的能量、不同通信過程中的單位能耗.

圖7 電池模塊進(jìn)程模型

3 IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)仿真與分析

3.1 仿真配置

IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)仿真中PC為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，Router_1和Router_6為路由器，其余為端設(shè)備.網(wǎng)絡(luò)層Lm和Rm為2，Cm為4.仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼霸O(shè)備地址定義如下：PC深度為0，設(shè)備地址為0；Router_1、Router_6和node_11、node_12為PC簇中成員，設(shè)備地址分別為1、6、11、12，父節(jié)點(diǎn)都為PC，深度為1；Router_1和Router_6也分別是各自簇的簇首，node_2～node_5、node_7～node_10分別為簇中端設(shè)備，設(shè)備地址

分別為2～5、7～10，深度均為2，父節(jié)點(diǎn)地址分別為1和6(見圖8).

圖8 IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)仿真

仿真網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層通信設(shè)置如表1所示，仿真通信包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和端設(shè)備間以及不同簇端設(shè)備間的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)通信.包的間隔和大小都設(shè)為常量，仿真時(shí)間設(shè)為60 s.

3.2 仿真結(jié)果及分析

通過設(shè)定的統(tǒng)計(jì)量可以反映網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、端到端延遲、電池能耗、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、吞吐量、利用率、CSMA/CA回退及CCA、緩沖區(qū)占用、介質(zhì)訪問延遲以及物理層收發(fā)器工作的仿真結(jié)果.由于篇幅限制在此僅分析數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收情況.從圖9～圖12中可以看出:所有數(shù)據(jù)包都在設(shè)定的時(shí)刻得到了發(fā)送，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)，由目的設(shè)備成功接收.數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是一一對(duì)應(yīng)的.另外，可以看出數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送時(shí)間存在一定的延遲，特別是第一個(gè)數(shù)據(jù)包，延遲更大.其原因在于路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間與轉(zhuǎn)發(fā)GTS的時(shí)間并不一致，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要路由器在CAP中競(jìng)爭(zhēng)信道，因此,都不能立刻發(fā)送.在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)，簇首設(shè)備要發(fā)送信標(biāo),成員設(shè)備要向簇首申請(qǐng)GTS，之后才能開始數(shù)據(jù)通信，因此,第一個(gè)數(shù)據(jù)包的通信延遲較大.

表1 應(yīng)用層通信設(shè)置

圖9 應(yīng)用層非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送情況

圖10 應(yīng)用層非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收情況

圖11 應(yīng)用層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送情況

圖12 應(yīng)用層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收情況

在仿真中也發(fā)現(xiàn)了通信過程中存在的問題.首先是通信沖突問題.如果不同簇超幀GTS的開始時(shí)間相同或相近、或與相鄰信標(biāo)的時(shí)間相同或相近，會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)通信間的沖突.這也是簇樹型網(wǎng)絡(luò)本身所存在的問題和今后研究的內(nèi)容.實(shí)驗(yàn)中，若不同簇超幀的開始時(shí)間相同，由于各個(gè)簇都具有相同的超幀和活動(dòng)段長度，其信標(biāo)和GTS開始時(shí)間也都是相同，數(shù)據(jù)通信則會(huì)產(chǎn)生沖突.而如果將不同簇超幀和GTS起始時(shí)間錯(cuò)開，則可以避免這一問題.如前面的仿真結(jié)果是將PC、Router_1 和Router_6的超幀開始時(shí)間分別設(shè)為0.1、0.4和0.7 s，由于3個(gè)簇超幀長度都是0.983 s，活動(dòng)段為0.123 s，因此,避免了通信間的沖突.另外，當(dāng)設(shè)備通信量較大或數(shù)據(jù)包較大時(shí)，會(huì)造成發(fā)送設(shè)備或路由器緩沖區(qū)溢出而丟包.實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用了小數(shù)據(jù)包，而非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用了較長的時(shí)間間隔，因此,避免了丟包現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

基于OPNET平臺(tái)對(duì)IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模和實(shí)現(xiàn).在OPNET的節(jié)點(diǎn)層建立了IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)模型，在進(jìn)程層對(duì)三種類型設(shè)備的通信協(xié)議進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，其中的重點(diǎn)是MAC層超幀的組織、帶時(shí)隙的CSMA/CA和GTS的通信過程.最后，建立了一個(gè)典型的3層簇樹網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)用層的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)通信活動(dòng)進(jìn)行了配置和仿真.仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的仿真模型可以實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的簇樹網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、GTS申請(qǐng)分配、實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送、路由和接收功能，還可以完成數(shù)據(jù)通信、延遲、能耗、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、負(fù)載、利用率等方面的統(tǒng)計(jì)分析，可以作為對(duì)IEEE802.15.4簇樹網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步研究和分析的工具.

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Simulation of IEEE802.15.4 Wireless Cluster Tree Network Based on OPNET

TANG Zhong, WANG Yuan-dong

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

Cluster tree network is a kind of classic topology of infrastructure-based wireless networks.It provides deterministic communicating path and predictable delay and can be used in the applications that require high real-time performance.Because there is no available simulating platform for wireless cluster tree network,node model and its layered protocol of IEEE802.15.4 cluster tree network are designed based on OPNET.Beacon-enabled super-frame with slotted CSMA/CA and GTS,network constructing,application data generating,routing and receiving are implemented.A three layer cluster tree network is established for simulation.The result shows that the model supports the communication function specified by the protocol,sends and receives real-time and non-real-time data between devices correctly and can be used in the research and analysis of wireless cluster tree networks.

cluster tree network; IEEE802.15.4; OPNET; simulation model; simulating experiment

2013-09-22

唐忠(1968-)，男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究.

2095-2198(2015)01-0082-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.01.017

TP393.1

A