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1、 ENSC 427:communication networks Zigbee mesh networks simulation using opnet and study of routing selection 通信网络之zigbee无线传感器网络路由算法研究与OPNET仿真 Spring 2009 final project Sam Leung Wil Gomez Jung Jun Kim http:/www.sfu/ca/mingl/ minglsfu.ca wgomezsfu.ca jkimdsfu.caAbstract摘要Zigbee,formally knowm as IEEE
2、802.15.4-2006 standard,is becoming a popular way to create wireless personal area network(WPAN) due to its low power consumption and scalability .Zigbee,正式推出是IEEE 802.15.4-2006标准，因为低功耗和可测量性，成为了在组建个人无线局域网方面最常用的方式。Zigbee ad-hoc mesh networks are designed to support a large number of nodes(64000) with
3、dynamic routing in case of a node failure. Zigbee无线移动传感器网络应用动态路由来支持大量节点通信。This project will simulate and explore the performance of zigbee WPANs under various conditions using OPNET.本项目将用OPNET仿真研究zigbeeWPAN在不同条件下的性能。Table of contents 目录Acronyms and abbreviations 首字母缩写ACL access control list访问控制列表AES
4、 advanced encryption standard 高级加密标准CBR constant bit rate 恒定码率CSMA/CA carrier sense multiple access /collision avoidance多信道传输入口/冲突避免ETE end to end 端到端(点对点)HVAC heating ventilation and air conditioning 暖风机和空调？IEEE institute of electrical and electronics engineers 电学电子工程师协会ISM industrial scientific an
5、d medical 工业应用科学和医学LP-WPAN low-rate wireless personal area networkMAC medium access control 介质访问控制PAN personal area network 个人局域网PER packet error rate 包错误率VBR variable bit rate 变化码率ZDO zigbee device object zigbee设备对象1、Introduction 引言Use of wireless personal area networks has steadily grown in recent
6、 years.its popular comes from the convenience of using wireless signals in open areas such as office space or home rather than having to lay out wires .removing the constraints of length and troublesome physical installation of wires ,wireless solutions provide much more diversity and potentially re
7、duced cost.近几年来无线个人局域网的使用程度稳步增加。它主要应用在方便使用无线信号的公共区域比如办公司、家庭而不是必须布线的场合。除了长度参数和物理装置线问题，无线方式可以很好地更多样化地更可行地减少消耗。Zigbee is a category in the IEEE 802 family , along with some of the well-known protocol such as WI-FI, Bluetooth which uses the 2.4GHz industrial , and scientific and medical radio band. Zigb
8、ee also utilizes 868 MHz and 915MHz in different parts of the world according to local standards . Unlike WI-FI and Bluetooth, zigbee was developed for low-rate WPAN which feature long battery life by having low data rates.Zigbee 是IEEE802协议族里的一种，和WI-FI蓝牙等协议一样使用2.4GHz ISM频段。Zigbee还可以在不同的地方根据当地的规定使用86
9、8 MHz、915MHz频段。与WI-FI蓝牙不同，zigbee是为低速WPAN研究的，具有低速数据传输率、长时间供电特点。The zigbee protocol was designed to provide static,dynamic,or mesh network topologies supporting up to 65000 nodes across large areas for industrial use . In order to handle faults caused by various environmental effects, the zigbee proto
10、col provides a self-healing ability for the network to detect and recover from network or communication link faults without human intervention. This is done through certain features of the zigbee protocol such as clear channel assessment, retries and acknowledgments ,and collision avoidance.Zigbee协议
11、是为静态、动态或者网状拓扑结构支持65000节点在大量工业应用方面设计的。为了处理由环境变量影响引起的错误，zigbee协议提供了一个自修复功能用以查找恢复网络或者通信链路的错误而不需要人工干预。这是通过zigbee协议的无损信道评估、复查认证，冲突避免等特点来完成的。1.1 project scope 应用范围The primary goal of this project to better understand the use of OPNET simulation tool as well as to study the protocol of interest, zigbee. In
12、 order to achieve these goals this project will provide a brief overview of what zigbee protocol contains , and simulate several simple zigbee WPAN networks while altering certain parameters using OPNET.这个课题的基本目的是为了更好地理解OPNET仿真工具的使用和研究zigbee协议的好处。为了达到这些目的，本课题将提供一个zigbee协议内容的简介，仿真几个简单的zigbeeWPAN网络，并改
13、变一些参量后再仿真。 2 zigbee Overview概述2.1 zigbee specifications说明2.2 zigbee layers 层次Zigbee consists of four layers. The top two (application network )layers specifications are provided by the zigbee alliance to provide manufacturing standards. The bottom two (MAC physical) layers specifications are provide
14、d by the IEEE802.15.4-2006 standard to ensure coexistence without interference with other wireless protocol such as wi=fi.Zigbee 由四层组成。上面两层应用层和网络层，详细说明由zigbee联盟制定的标准提供。下面两层MAC和物理层，详细说明由IEEE802.15.4-2006标准提供，确保与其他无线协议兼容。2.2.1 application layer 应用层Applications running on the zigbee network are contain
15、ed here. For example , applications to monitor temperature , humidity,or any other desirable atmospheric parameters can be placed on this layer for agricultural use. This is the layer that makes the device useful to the user.A single node can run more than one application. 例如，在检测温度、湿度或者其他大气参数等在农业上的应
16、用能被放置在这层。这层是能够让使用者使用设备的一层。一个单一节点可以支持不止一种用途。Application are referenced with a number ranging from 1-240. Meaning there is a maximum of 240 application on a zigbee device. Application number 0 is reserved for a unique application that exists on all zigbee device . Another application number,255,is als
17、o reserved. This number is used to broadcast a message to all application on a node.用0至240给应用编号。定义zigbee设备中的最大值为240，编号0为全部设备预留着，255号也是预留的，这个号码是被一个节点用来向全部设备广播消息的。2.2.1.1ZDO特别的应用，提供关键函数去定义一个设备的类型（终端、路由器、协调器），初始化网络，并加入到组网中。 2.2.2 network layer 网络层A feature of zigbee such as the self-healing mechanism i
18、s acquired through this layer . As figure 1 shows,this layer provides network management,routing management, network message broker,and network security management. This layer is defined by the zigbee alliance, which is an association of companies united to work for a better zigbee standard.Zigbee的一
19、个特点就是自修复路径在网络层获得。如图一所示，这一层提供网络管理，路由管理，网络信息转发，和网络安全管理。这层是由zigbee联盟定义的。2.2.3 security plane 安全水平2.2.4 medium access control sub-layer这一层从IEEE802.15.4标准里抽取里的，为上层网络层提供服务，也是zigbee协议栈的一部分。这个MAC层是为数据地址寻址决定帧传送到哪或来自哪负责的。它也是提供多点访问控制比如CSMA/CS，允许可靠数据传输的一层。Beaconing是在这一层执行时的另一个特点。最后，这一层可以被更高层开发去获得可靠的通信。2.2.5 phy
20、sical layer物理层2.3 network topologiesZigbee network can contain a mixture of three potential components. These components are a zigbee coordinator,a zigbee router, and a zigbee end device. Different types of node will have different roles within the network layer ,but all various types can have the s
21、ame application,协调器每一个zigbee网络只能有一个协调器，这个节点是为初始化网络负责的。路由器一个路由器能转发信息，也能让子节点连接它，另一个路由或者终端。路由器功能只能用于一个树或者无线传感器拓扑结构，因为在一个星型结构中，所有的流量都被转发到中心节点。路由器可以代替终端，但是路由功能会丧失。如果这个网络支持beaconing，然后一个路由器可以在不活动的时候睡眠，周期性活动去更新它所在的网络。终端设备终端设备的节能特点可以完全信任。因为这些节点不是用来转发业务量的，他们大部分时间可以休眠，延长这些设备的电池寿命。这些节点有足够的功能去和跟父节点通信，父节点可以是路由器或
22、者协调器。一个终端设备，没有能力让其他节点通过这个终端设备去连接网络，因为它必须通过路由器或者协调器连接网络。2.3.1 star topology 星形拓扑结构2.3.2 tree topology 树形拓扑结构2.3.3 mesh topology网状拓扑结构3 zigbee simulation using OPNETZigbee 库是OPNET14.0版本新加入的，不幸的是zigbee模型是不完整的，缺少一些函数。Zigbee 路由发现过程决定消息传送到目的地的路径。此章节会讨论不同条件下仿真的结果。只有单一路由器的稳定环境、路由器无法进行自修复、所在网络的终端移动时、用不同的码率传输
23、时、一些可能因为不完整的模型造成的限制3.1 traffic with single router 单个路由器的业务量This scenario is a general and simple case to observe the behaviour of a zigbee netweork in OPNET. Here ,we have a coordinator on the far right,with a single router in the middle (router in the figure thats circled, has a small red cross in
24、the middle signifying that the router is disabled, leaving router-1 the only function router in the scenario ),and a pair of end devices. The end devices will be sending data with a constant bit rate to the coordinator by first sending to the router,and then allowing the router to relay the message
25、to the destination.该场景是一个普通简单的例子，观察zigbee网络在OPNET中的运行情况。（如图）右边是有一个协调器，中间有一个路由器（路由器图形中，有一个圆圈中间有红色叉表示该路由有缺陷不能用，该场景中只有router-1能正常工作），还有一些终端设备。终端设备将以恒定码率向协调器发送数据，先发送给路由器，再由路由器回复消息给目的节点。Figure 7 below shows the traffic being sent by the two end devices and received by the destination coordinator. The bot
26、tom red line (overlapping with green) is the traffic being sent by the end devices, where the blue line shows the traffic being received by the destination coordinator. It can be seen that steady stream of traffic is sent without disruption. Small spikes in at the beginning of the simulation are ind
27、ications of management and control traffic sent and received to determine the presence of devices as well as the optimal route.下图7所示的是，两个终端设备发送的业务量和目的节点接收的业务量。红色线是终端设备的，蓝色线是协调器的。可以看出业务流没有中断。在仿真开始时有一些小尖峰，表示管理、控制业务量的发送和接收，对设备的状态和路由优化的影响。 图8表示两个路由器接收和发送的业务量。有缺陷的路由器不能接发送数据。从之前的图表可以看出，路由器转发业务量的总量和协调器接收业务
28、量是相等的。下面两个图，表示点对点延迟。平均延迟表示TET延迟的一致性。END-0（蓝色线），与由器相连，相对于END-1延迟少很多，因为它利用了信道资源。平均ETE延迟在0.016s- 0.017s没有什么影响。3.2 verification of zigbees self-healing mechanism upon router failure 验证当路由器失效时zigbee自修复路径仿真路由器失效的一种方法是更改代码增加错误设置，但是，这这样会超出一个工程的范围，所以采用另一种方法。另一种方法是，将路由器设定按照一定的轨迹移动，一直移动到可以自修复的范围之外。这样能模拟在农业应用中路
29、由器在意外的大风影响下的情况。该场景两个重要特点是ACK可行和了解zigbee综合性能。把终端设备放在很靠近协调器的地方，会造成直接发送业务量，而不再通过路由器，阻止了启用自修复功能。另外ACK属性可行，这样终端设备可以感知发生了路由路径失败的状况，而不再接收或者转发业务量，去启动路由发现。图11表明：底下的路由器失效后，先前的从终端设备到协调器业务量路径是失败的。图12表明：启动了自修复功能，找到另一条路径到达目的地。OPNET没有公开 库里提供的所有信息。只有MAC层的FB和HB是可以看到的。其他的代码或操作都是隐藏的，可能是因为工作还在进行中。图13至图17，观察自修复功能收集的数据。路
30、由器失效发生在仿真时间5分钟。图13，表示两个终端设备（蓝线，与红线部分重叠）发送的业务量，两个路由器接收的业务量。绿线在五分钟时突然下降，是因为它被移动到终端设备的范围之外了，停止接收数据。淡蓝色线伴随着顶点，表示的是静止的路由器，图中表示这个路由器接刚开始是从邻近节点直接接收数据的。这是因为这个zigbee网络模板缺少beaconing，有beaconing的话不活动的设备可以加入到休眠的模块，不定期（醒来）更新所在网络。除了静态路由接收的大量数据，没有转发到协调器的数据将在图14和图15中显示。在5分钟处的尖峰，与仿真开始时的尖峰相似。一部分原因是设备在进行路由发现时，管理控制了业务量的
31、转发。这个尖峰是由zigbee自修复功能引起的，仅仅感知到原来的路径失败，再进行一次路由发现找到另一条可以到达目的地的最优化路径。可以看出，静态路由接收终端设备的数据，接着转发这些数据到目的节点。图14、图15表示，两个路由器和协调器之间的业务量。蓝线表示协调器接收的业务量，红色和绿色表示路由器发送的。在第一个5分钟里，可以看到静态路由器没有发送数据除了接收大量数据（图8中的淡蓝色线表示的）。协调器持续地接收数据，在一个五分钟仿真时间的间隔里。这是正在进行自修复发现路由过程。动态路由尝试在网络中找到它的代替点（红色尖峰）。当初始路由失败时，静态路由接收数据并转发到目的地。图16、图17，表示从
32、终端设备到协调器的ETE延迟。这是评估发送应用包到目的地所用的时间。图16，显示“AS IS”在仿真时间五分钟内小间隔的ETE表示路由器失效发生时的丢失的包。但是，平均ETE延迟是不变的吞吐量，图17 说明了网络业务量的一致性仍然保持着，即使路由器失效。仿真结果指出zigbee自修复的综合性能是很好的。终端设备的数据成功被目的协调器收到，另外一些仿真间隙时间窗显示丢失的包。而且，平均ETE延迟和之前单一路由场景很相近。3.3 Traffic stability in presence of moving End-Devices-CBR因为zigbee网络可以被应用在传感器网络，像医院、农业等环
33、境中，所以当终端设备移动时保持良好的性能对zigbee来说是很重要的。本场景中，我们设置终端设备在3003000m之间以某一路径不同的方向移动。理论上，终端设备的移动不会对业务量造成影响，路由器仍然可以接收数据，甚至是它暂时离开所在的PAN然后回到范围内。下图显示怎么设置仿真，包括终端设备的移动轨迹。移动终端在网络周围移动，以逆时钟方向运动。在4分22秒后，移动节点暂时移出范围外，然后重新进入到网络中。下面两图显示协调器接收到的业务量，路由器和终端设备发送的业务量。看着上图，我们注意到一个有趣的事情。大概在1m30s，协调器的业务量以644bit/s增加，因为移动节点在范围内，同时向路由器和协
34、调器发送数据。接着在4m22s，路由器和协调器的码率以644bit/s降低，因为END-2在范围外了。然后在5m4s，END-2回到范围内，路由器和协调器的业务量以644bit/s增加。下图21，显示每个终端设备的端对端业务量。注意到在4:22-5:04,END-2的ETE延迟没有显示，因为当它在范围外时包丢失了。结果表面zigbee 网络的性能不受节点移动的影响。网络可以无误地释放一个节点也能让它重新加入。3.4 assessing network performance with stationary end-device-vbr 在这个事件中，业务量可以不连续地发送，对于网络来说仍然能感
35、知所有信息都被发送是很重要的。这本场景中，我们设置终端设备以可变的码率发送数据，而不是以恒定的码率。与之前简单的场景对比，比较ETE延迟参数。网络拓扑结构如下图。下图中，我们可以看到整个网络中的平均业务量。如期望的，终端设备发送的数据被路由器成功接收到，接着成功转发到协调器。二者之间不同的是，在图的开始，第二个路由器（黄线），被闲置了，没有终端设备连接它。开始的尖峰是因为网络的设置（路由发现）。第二路由（黄线）平坦的线条是因为它没有接收到数据，它也没有发送任何数据。如下图，表示终端设备确实没有以恒定的码率而是变化的码率发送数据的。协调器接收的数据（蓝线）加上终端设备发送的数据。这次仿真，我们以
36、变化的包（长度上从500到1524字节不等）发送数据，以2s一个包的速率发送。虽然上述结果证明包都成功到达目的地，但是重要的是数据要准时的到达，否则数据是无效的。因为这个原因，我们必须检查包发送时的ETE延迟。下面两个图，以as is显示的，平均ETE延时。因为包的长度是变化的，延迟也是变化的，在X图中我们可以看到变化的延时，可用包的长度来解释。在图25中，我们看到包发送时的平均延时。开始的尖峰是建立网络造成的。在大概3分钟后，我们看到ETE延迟趋于稳定，在大约16毫秒内。 在仿真不同场景的过程中，我们注意到opnet的zigbee模块有一些限制和不完善的特点。其中一个限制是每个路由器只能连接
37、两个终端设备。我们知道一个zigbee网络可以有64000节点，所以对已本场景来说，我们只能简单的尝试连接3个终端设备到一个路由上，看看路由是否可以处理接收的数据。下图27，表示数据流路径。所有的终端设备通过连接路由器发送数据到目的协调器。图表说明，协调器在信道中有足够的带宽去接收来自三个终端设备的不同数据。下图显示，当底下路由失效时，数据流路径。可以看到，END-1不能和路由器建立链路。这是由于缺少设定空位有效时间的有beaconing的CSMA/CA通信。当其中两个终端设备连接路由时，它公开连接，但是不准许第三个终端设备加入。而且，这个路由不能为第三个终端设备设置空位。结果说明，END-1
38、不能传送任何包，因为包在其他两个终端设备没有丢包时都被路由丢失了。 通过这个课题，我们已经了解了一下opnet中zigbee模块的局限。最明显的局限就是不完整的beaconing功能。（“注：beacon可行当前不支持。这个属性是空的”） 而且，CSMA/CA也不支持。这个似乎不能让终端设备公平的使用资源占用信道。 本课题早期的难题之一是缺少对ZIGBEE综合性能的评估。因为OPNET zigbee模块还未完善，我们希望更早的版本的zigbee工作范围可以在100m以内。但是，OPNET zigbee模块可以在1200m范围内发接数据，在默认工作功耗设置下。这个最初是因为终端设备略过路由，与协调器直接通信。通过本课题，我们不仅学习了协议和OPNET 还感受到了科技的乐趣.