基于AODV路由協(xié)議的ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能研究與分析

盧純強(qiáng), 羅漢文

(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

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基于AODV路由協(xié)議的ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能研究與分析

盧純強(qiáng)1, 羅漢文2

(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

摘要:隨著點(diǎn)對點(diǎn)(ad-hoc)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和應(yīng)用范圍的不斷增大,網(wǎng)絡(luò)需要提供的服務(wù)數(shù)量和種類愈來愈多,同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量也有越來越高的要求.通過將紫蜂協(xié)議(ZigBee)網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典的無線自組網(wǎng)按需平面距離向量(AODV)路由協(xié)議結(jié)合,運(yùn)用Network Simulator 2(NS2)仿真平臺,仿真測試了基于不同傳輸半徑下的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延以及端到端的時(shí)延,分析了傳輸半徑對網(wǎng)絡(luò)性能的影響,為改善和優(yōu)化ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了建議.

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)性能; 紫蜂協(xié)議; 無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議

0引言

隨著無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,根據(jù)節(jié)能社會(huì)的需求,低成本、低功耗的無線傳感器節(jié)點(diǎn)研究得到了越來越多的關(guān)注.因其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,這種節(jié)點(diǎn)也在實(shí)際生活中得到大規(guī)模的運(yùn)用,從而形成了大規(guī)模的無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Wireless Ad-hoc Network).

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要分為分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)和匯聚節(jié)點(diǎn).傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信,自組織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并以多跳的方式連接至匯聚節(jié)點(diǎn).對于規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò),可以將其分成若干個(gè)塊或者區(qū)域,每個(gè)區(qū)域稱之為一個(gè)簇,并在每個(gè)簇內(nèi)選出一個(gè)簇頭,負(fù)責(zé)簇與簇之間的通信,每個(gè)簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)之間都存在一條通路,所有簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通路連接起來能夠形成一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò),每個(gè)簇頭收集簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的信息并通過骨干網(wǎng)絡(luò)將收集到的信息送至匯聚節(jié)點(diǎn),最后匯聚節(jié)點(diǎn)借助互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前信息傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理.一般來說,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)該包括分布式的傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控中心等.分布式傳感器節(jié)點(diǎn)一般都具有較低的電能,發(fā)射范圍比較小,處理計(jì)算能力也比較弱,而匯聚節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的發(fā)射能力,電能較高,并且處理能力也比較強(qiáng).

IEEE 802.15.4[1]協(xié)議是由IEEE 802.15工作組針對低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)具有低能量消耗、低傳輸速率和低成本的特點(diǎn).由于該標(biāo)準(zhǔn)中低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)的特征與傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處,一般就把該標(biāo)準(zhǔn)視作傳感器的通信標(biāo)準(zhǔn).紫蜂協(xié)議(ZigBee)[2]是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,它是無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的一種重要的傳輸技術(shù).

當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者還在不斷地對ZigBee協(xié)議進(jìn)行研究,主要集中在網(wǎng)絡(luò)性能的分析和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面,而且針對ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的研究多數(shù)為小規(guī)模的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[3]給出了節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑與路由發(fā)現(xiàn)效率的關(guān)系.文獻(xiàn)[4]給出了應(yīng)用Network Simulator 2(NS2)仿真ZigBee的結(jié)果.文獻(xiàn)[5]對應(yīng)用IEEE 802.15.4和Zigbee協(xié)議的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[6]對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和速率等指標(biāo)進(jìn)行了測試.

本文作者通過將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)典的AODV路由協(xié)議結(jié)合,運(yùn)用NS2仿真平臺,仿真測試了基于不同傳輸半徑下的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延以及端到端的時(shí)延,探究了基于AODV協(xié)議的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能.

1ZigBee網(wǎng)絡(luò)

為滿足低成本、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的要求,IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成立了IEEE 802.15.4工作組,主要是為了制定低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn).IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)具有低能量消耗和低復(fù)雜度、低成本、低速率傳輸?shù)奶攸c(diǎn),是一種為小范圍無線節(jié)點(diǎn)提供低速率傳輸?shù)幕ミB標(biāo)準(zhǔn).低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)是一種低成本、低功耗并且結(jié)構(gòu)簡單的無線通信網(wǎng)絡(luò),這使得無線連接在低吞吐量和低電能的應(yīng)用環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn).低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中只需要很少的基礎(chǔ)設(shè)施就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建,甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施.IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)直接定義了物理層和媒體訪問控制層的內(nèi)容,Zigbee協(xié)議中的物理層和MAC層也是直接使用這兩層的內(nèi)容.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn),其中協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)都是全功能設(shè)備(FFD),FFD具備數(shù)據(jù)采集、接收和發(fā)送以及與外界通信的功能;而終端節(jié)點(diǎn)為簡化功能設(shè)備(RFD),RFD的功能就相對簡單,它只能與它相關(guān)聯(lián)的全功能設(shè)備通信.協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)以及與外界通信,路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,終端節(jié)點(diǎn)只能與它相關(guān)聯(lián)的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信.低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分別是星型和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

圖1　ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在星型網(wǎng)絡(luò)中,使用一個(gè)FFD作為個(gè)人局域網(wǎng)(Personal Area Network,PAN)協(xié)調(diào)器.組網(wǎng)的過程是PAN協(xié)調(diào)器首先為該網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)唯一的PAN標(biāo)識符和一個(gè)可用的信道,然后其他的設(shè)備通過掃描、關(guān)聯(lián)等一系列步驟加入這個(gè)網(wǎng)路當(dāng)中,PAN協(xié)調(diào)器為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).每個(gè)終端設(shè)備包括FFD和RFD通過直接與網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器通信進(jìn)行關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)然顒?dòng).該標(biāo)準(zhǔn)支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)兩種通信方式,一種是使用由PAN協(xié)調(diào)器分配的16位短地址通信,另一種是使用64位長地址在PAN內(nèi)直接通信.

在點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,但是點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢允歉鼮閺?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)形式,原因是網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備都可以與在信號輻射范圍內(nèi)的設(shè)備通信.比較典型的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)有樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等.圖1就是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò).點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)性和自組織性的特點(diǎn),還可以以多跳方式傳輸數(shù)據(jù),因此點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)更適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制及監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)、貨物存儲(chǔ)及安全等方面的應(yīng)用.后面的分析也是基于點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò).

2AODV路由

AODV提出的最初目的是要建一個(gè)按需路由系統(tǒng).網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)既不需要參加任何定期的路由表交換,也不需要維護(hù)任何路由信息.除了源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間需要通信或者節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)為此鏈路提供路由信息之外,其他節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息.每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過定期的廣播hello消息來感知附近的節(jié)點(diǎn),并且節(jié)點(diǎn)保留到達(dá)相鄰節(jié)點(diǎn)的路由表,路由表的組織必須有利于為當(dāng)?shù)鼗顒?dòng)優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間,并提供快速的響應(yīng),以建立一個(gè)新的路由請求.

AODV算法的主要目標(biāo)是:(1) 只有當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)且沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息時(shí)才廣播路由發(fā)現(xiàn)包.(2) 當(dāng)本地連接發(fā)生變化時(shí),要及時(shí)把相關(guān)信息發(fā)送給鄰近的移動(dòng)節(jié)點(diǎn).(3) 實(shí)現(xiàn)本地連接管理和一般的拓?fù)渚S護(hù)的有效區(qū)分.

AODV協(xié)議對動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(DSR)中使用的“廣播路由發(fā)現(xiàn)”機(jī)制進(jìn)行了修改.不同于DSR協(xié)議,AODV協(xié)議依賴中間節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)建立路由表項(xiàng).需要特別注意的一點(diǎn)是,如果每個(gè)數(shù)據(jù)包都攜帶源路由的參數(shù),可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)重負(fù)載.此外,為了使節(jié)點(diǎn)維護(hù)最新的路由信息,AODV協(xié)議也采用了序列矢量(DSDV)協(xié)議中對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用序列的方法,但與DSDV協(xié)議不同的是,在AODV協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)單調(diào)遞增序號計(jì)數(shù)器,用于替換路由緩沖內(nèi)的舊路由項(xiàng)目.所有這些技術(shù)都是為了能夠在網(wǎng)絡(luò)帶寬和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生任何變化的情況下做出更加快速有效的響應(yīng),以確保不會(huì)發(fā)生路由環(huán)路中斷.

2.1路徑的發(fā)現(xiàn)

無論何時(shí),當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并且它的路由表中沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息時(shí),源節(jié)點(diǎn)將啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程.每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩個(gè)獨(dú)立計(jì)數(shù)器:廣播ID計(jì)數(shù)器和節(jié)點(diǎn)序號計(jì)數(shù)器.源節(jié)點(diǎn)廣播路由請求報(bào)文RREQ到其所有相鄰節(jié)點(diǎn)初始化路徑發(fā)現(xiàn)過程.RREQ包含如下域:源節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)序號、廣播ID、目的節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)序號和累計(jì)跳數(shù).參數(shù)源節(jié)點(diǎn)地址和廣播ID能夠唯一確定一個(gè)路由請求.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)新的路由請求報(bào)文RREQ時(shí),廣播ID就自動(dòng)加1.收到RREQ的鄰居節(jié)點(diǎn)會(huì)做出兩種反應(yīng),一種情況是該鄰節(jié)點(diǎn)即是滿足RREQ的節(jié)點(diǎn)或次鄰居節(jié)點(diǎn)維護(hù)到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息,則鄰居節(jié)點(diǎn)將發(fā)送路由響應(yīng)報(bào)文RREP到源節(jié)點(diǎn);第二種情況是鄰居節(jié)點(diǎn)不是RREQ所要求的節(jié)點(diǎn)也沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息,則鄰居節(jié)點(diǎn)將收到的RREQ中的累計(jì)跳數(shù)加1后再次廣播給自己的鄰居節(jié)點(diǎn).需要指出的是,一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能收到來自不同鄰居節(jié)點(diǎn)的相同的路由請求報(bào)文.因此,當(dāng)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)RREQ,需要首先判斷之前是否已經(jīng)收到具有相同源地址(source_addr)和廣播地址(broadcast_id)的RREQ,若之前已經(jīng)收到,則該中間節(jié)點(diǎn)會(huì)拋棄這個(gè)報(bào)文,而不會(huì)重新廣播這個(gè)路由請求報(bào)文.若一個(gè)節(jié)點(diǎn)不是RREQ所要求的節(jié)點(diǎn),它必須設(shè)置反向路徑來追蹤部分信息,這也是最終轉(zhuǎn)發(fā)RREP所使用的路徑.追蹤的信息包括源節(jié)點(diǎn)地址、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址、廣播ID、源節(jié)點(diǎn)序號和路由項(xiàng)目中反向路徑的過期時(shí)間.

2.2反向路徑設(shè)置

除了廣播ID外,RREQ中還有兩個(gè)序號域:源節(jié)點(diǎn)序號和最新目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序號.源節(jié)點(diǎn)序號用來設(shè)置到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的反向路由,其大小表明了反向路由的新舊程度;目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序號用來設(shè)置到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由,其大小表明了到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由的新舊程度.顯然,一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的序號如果出現(xiàn)在了源節(jié)點(diǎn)的緩存內(nèi),則說明源節(jié)點(diǎn)之前使用過到達(dá)該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由.

當(dāng)RREQ從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)以廣播的方式發(fā)送到不同節(jié)點(diǎn)時(shí),路徑上所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)自動(dòng)設(shè)置自身節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的反向路徑.為了建立反向路徑,節(jié)點(diǎn)必須記錄收到的來自鄰居節(jié)點(diǎn)的第一份RREQ拷貝的地址.為了能夠使RREQ經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)期間產(chǎn)生一個(gè)路由響應(yīng)報(bào)文RREP,并經(jīng)過反向路徑回到源節(jié)點(diǎn),反向路徑所需的路由項(xiàng)目必須維護(hù)足夠長的時(shí)間.

2.3轉(zhuǎn)發(fā)路徑的設(shè)置

圖2　AODV路由發(fā)現(xiàn)的流程圖

RREQ最終達(dá)到的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)也可能是維護(hù)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由信息的中間節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)接收到路由請求報(bào)文RREQ之后首先需要檢查RREQ到達(dá)路徑上的雙向鏈路.如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表具有到目的節(jié)點(diǎn)的路由項(xiàng)目,該節(jié)點(diǎn)必須比較路由表中目的節(jié)點(diǎn)序號與收到的路由請求報(bào)文RREQ中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序號,以此決定該路由項(xiàng)目當(dāng)前是否可用.若路由表中目的節(jié)點(diǎn)序號小于報(bào)文RREQ中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序號,則該中間節(jié)點(diǎn)就不會(huì)用路由表中到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的信息來響應(yīng)RREQ,該節(jié)點(diǎn)對RREQ的部分信息進(jìn)行更新,然后重新廣播給鄰居節(jié)點(diǎn).當(dāng)且僅當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)的路由表中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序號大于或者等于接收到的報(bào)文RREQ中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序號的時(shí)候,中間節(jié)點(diǎn)才能響應(yīng)RREQ,以單播的方式向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)路由響應(yīng)報(bào)文RREP.這個(gè)RREP應(yīng)包含:源節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)序號、累計(jì)跳數(shù)和生存時(shí)間.

直到路由請求報(bào)文RREQ到達(dá)一個(gè)維護(hù)目的節(jié)點(diǎn)路由信息的節(jié)點(diǎn)時(shí),就會(huì)建立一條到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的反向路徑.當(dāng)RREP返回到源節(jié)點(diǎn),RREP所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)都將設(shè)置一個(gè)指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)方向的轉(zhuǎn)發(fā)指針,并且更新源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由項(xiàng)目的超時(shí)時(shí)間以及最新的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序號.那些不在RREP路徑上的節(jié)點(diǎn)在超時(shí)計(jì)數(shù)到期后,將刪除反向指針.由于并非所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)在前往目的節(jié)點(diǎn)的路徑上,而這些節(jié)點(diǎn)都在轉(zhuǎn)播RREQ時(shí)建立反向指針,若這些節(jié)點(diǎn)最終發(fā)現(xiàn)他們無法到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),則對應(yīng)的反向指針在超時(shí)計(jì)數(shù)到期后就會(huì)被釋放.AODV中設(shè)置的超時(shí)時(shí)間為3000 ms.

收到RREP的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的第一個(gè)RREP到源節(jié)點(diǎn).若節(jié)點(diǎn)再次收到RREP,則需要比較RREP中目的節(jié)點(diǎn)序號與路由表中目的節(jié)點(diǎn)序號的大小,當(dāng)且僅當(dāng)收到的RREP中目的節(jié)點(diǎn)序號大于路由表中目的節(jié)點(diǎn)序號,或到達(dá)同樣目的節(jié)點(diǎn)的累計(jì)跳數(shù)小于先前收到的RREP中的累計(jì)跳數(shù)時(shí),節(jié)點(diǎn)才更新到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息并再次向鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREP;否則,該節(jié)點(diǎn)將直接丟棄收到的路由響應(yīng)報(bào)文RREP.這樣就解決了RREP轉(zhuǎn)發(fā)過多的問題,并且又能保證路由表中的信息是最新的.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè)路由響應(yīng)報(bào)文RREP時(shí)就開始向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),并在數(shù)據(jù)傳輸過程中不斷地更新路由表中的信息,以確保路由表中的信息是最新的.

圖2給出了AODV路由發(fā)現(xiàn)的流程圖,因此AODV協(xié)議下路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延為源節(jié)點(diǎn)第一次廣播RREQ到源節(jié)點(diǎn)第一次接收到RREP的時(shí)間差.而端到端時(shí)延為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)間差.

3實(shí)驗(yàn)仿真

3.1仿真環(huán)境及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在仿真分析中,有三種類型的節(jié)點(diǎn)模型:協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備.主要關(guān)注于協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)的傳輸.網(wǎng)絡(luò)中有49個(gè)節(jié)點(diǎn),包括1個(gè)PAN協(xié)調(diào)器和48個(gè)路由節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)間的水平距離和豎直距離均是0.5 m,節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑是變化的.采用固定碼率(cbr)的傳輸模式,傳輸間隔設(shè)置為0.2 s,數(shù)據(jù)包的大小設(shè)置為80字節(jié),并應(yīng)用AODV路由算法.RXThresh表示接收閥值,當(dāng)接收到的信號強(qiáng)度Pr大于這個(gè)閾值時(shí),數(shù)據(jù)包就可以被成功接收;CSThresh表示偵聽閥值,當(dāng)接收的信號強(qiáng)度Pr大于這個(gè)閾值時(shí),信號可以被檢測到,但是不一定能被解碼,除非信號強(qiáng)度大于RXThresh.通過改變RXThresh的大小可以改變節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍.不同半徑的仿真次數(shù)為500次,仿真的時(shí)間為100 s,將通過仿真觀察傳輸半徑分別與路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延和端到端的時(shí)延之間的關(guān)系.

3.2結(jié)果分析

得到了不同傳輸半徑下的路由發(fā)現(xiàn)的平均時(shí)延(圖3)和端到端的平均時(shí)延(圖4).

圖3　傳輸半徑與路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延的關(guān)系

圖4　傳輸半徑與端到端時(shí)延的關(guān)系

由圖3可以發(fā)現(xiàn),路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延隨著傳輸半徑的增加而增高,這是由于AODV路由發(fā)現(xiàn)的過程是一個(gè)廣播的過程,因此該過程中不同的傳輸半徑會(huì)使節(jié)點(diǎn)之間的干擾程度不同.傳輸半徑越大,節(jié)點(diǎn)之間的干擾越大,會(huì)嚴(yán)重影響路由包的發(fā)送和接收,因此傳輸半徑越大,路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延也就會(huì)越大.

由圖4可以發(fā)現(xiàn)端到端的時(shí)延隨著傳輸半徑的增加而降低,這是由于端到端時(shí)延為單播的過程,當(dāng)傳輸半徑比較小時(shí),源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)就比較多,在考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理能力相同的情況下,端到端的時(shí)延就會(huì)與源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)成正比,因此傳輸半徑越大,端到端的時(shí)延就會(huì)越小.

4結(jié)論

ZigBee具有低功耗,低復(fù)雜度和低成本的特點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域.本文作者通過結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)與AODV路由協(xié)議,仿真測試了基于不同傳輸半徑下的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延以及端到端的時(shí)延.分析結(jié)果可以得知,傳輸半徑增大,路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延會(huì)提高,而端到端的時(shí)延會(huì)降低.因此可以根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求來改變節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑,提高網(wǎng)絡(luò)的性能.

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(責(zé)任編輯：馮珍珍)

Research and analysis of ZigBee network performancebased on AODV protocol

LU Chunqiang1, LUO Hanwen2

(1.College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Abstract:With the increase of ad-hoc network size and application range,network need to provide more and more quantity and quality of services,while the qualityrequirement of networkservices also increases.Through the combination of Zigbee network and classic AODV protocol,this paper simulates and tests the delay of routing discovery and the delay of end to end based on different transmission radius,analyses the impact of transmission range on network performance,and provides some advices for improving and optimizing ZigBee network applications,with the application of NS2 simulation platform.

Key words:ZigBee; AODV; network performance

中圖分類號:TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-5137(2016)02-0127-06

通信作者:羅漢文,中國上海市閔行區(qū)東川路800號,上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,郵編:200240,E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

收稿日期:2015-12-07