摘 要： 為了評估和優(yōu)化ZigBee網絡性能，使用OPNET仿真軟件仿真分析了ZigBee協(xié)議中的確認機制對ZigBee網絡性能的影響。仿真結果表明，確認機制在不同的拓撲結構（樹狀或網狀）和傳感網狀態(tài)（固定或移動）下，對網絡的性能有不同的影響。在端到端的延遲和吞吐量方面，有針對性的使用確認機制能夠給ZigBee網絡提供更好的性能。
關鍵詞： ZigBee；確認；網狀；樹狀
0 引言
近年來，ZigBee[1]無線傳感網絡逐漸滲透到人們的日常生活和工作中，已在許多領域得以應用（如醫(yī)療、安全、工業(yè)、軍事、地質等）。而另一方面，無線傳感器的各種應用需要滿足不同的條件，如可靠/不可靠的數(shù)據(jù)傳輸或固定/移動傳感器網絡狀態(tài)，因此，需要設備采用不同的機制來支持這些傳感器，以確保數(shù)據(jù)包的正確傳送。
ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的一種無線傳感網通信協(xié)議[2]。反映ZigBee網絡性能的因素有很多，如網絡吞吐量、端到端的時延和抖動性等。確認（ACK）機制是一個用來提高ZigBee系統(tǒng)性能的可選功能，這種機制是接收端在接收到有效數(shù)據(jù)包后，在MAC層使用一種特殊類型的小尺寸的幀發(fā)送給發(fā)送端做出確認，若收不到確認幀，發(fā)送端將重傳數(shù)據(jù)，以此提高ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
在評估ZigBee系統(tǒng)性能方面，參考文獻[3]提出對固定網絡狀態(tài)下小型樹狀拓撲結構進行性能評估，該樹狀拓撲結構由支持確認機制的四個無線傳感器和一個協(xié)調器組成。參考文獻 [4]中使用OPNET對支持確認機制的有部分節(jié)點移動的網絡狀態(tài)下3種拓撲結構——星型、樹狀和網狀進行了分析比較，得出樹狀網絡吞吐量最高但時延最大的結論。參考文獻[5]使用網絡模擬器（NS-2）對移動網絡狀態(tài)中網狀與樹狀拓撲結構下的ZigBee網絡進行了探討。參考文獻[6]在OPNET版本14.5上模擬了ZigBee系統(tǒng)，研究了星型、樹狀和網狀拓撲結構下不同數(shù)量的移動節(jié)點對ZigBee系統(tǒng)的性能的影響。研究結果表明，樹狀結構在吞吐量方面可以提供更好的性能，并且該結構下隨著移動節(jié)點數(shù)量的增多，端到端的時延逐漸減小，但依舊沒有提到確認機制對系統(tǒng)性能的影響。
本文利用仿真軟件OPNET對ZigBee協(xié)議中的確認機制在不同網絡拓撲結構和不同傳感網狀態(tài)下對系統(tǒng)性能的影響做了詳細的分析比較，為進一步合理地配置ZigBee網絡提供了參考。
1 ZigBee相關技術概述
1.1 ZigBee網絡拓撲結構
ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4的短距離、低功耗的無線通信技術，它應用簡單、成本低，電池壽命長[7]。
ZigBee網絡中有三種類型的節(jié)點：協(xié)調器、路由器和終端設備[8]。從性能角度講，協(xié)調器是ZigBee的頂級設備，每個ZigBee網絡中有且只能有一個協(xié)調器，用來負責啟動、維護網絡，可為新加入的網絡節(jié)點分配16位短地址等。路由器是ZigBee的第二級設備，它可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，也可作為中間設備工作，具有路由轉發(fā)功能，同時也輔助其他節(jié)點加入網絡。終端設備是ZigBee最低一級的設備，位于網絡的邊緣，只具有采集和發(fā)送信息的功能，不具有路由轉發(fā)功能。
這三種類型的ZigBee設備可以組成三種不同的網絡拓撲結構：星型、樹狀和網狀[9]，如圖1所示。
星型結構是最簡單的一種網絡拓撲結構，它由一個協(xié)調器和多個終端節(jié)點組成，終端直接和協(xié)調器通信，沒有路由節(jié)點，終端節(jié)點之間不能直接通信，要通過協(xié)調器來轉發(fā)。
樹狀結構是在星型結構上的進一步拓展，處于網絡最邊緣的設備被稱為“葉”節(jié)點，多個葉節(jié)點連接在一個全功能的FFD設備形成“簇”，若干個“簇”連接在一起就形成了“樹”。這種樹簇形結構擴大了網絡范圍，可用于一些監(jiān)測節(jié)點分布范圍比較大的應用場合。
而網狀拓撲結構是在樹狀結構的基礎上實現(xiàn)的，它將網絡中具有路由功能的節(jié)點直接連接在一起，使得網絡中的任何一個設備都可以與網絡范圍內的其他設備通信。
1.2 確認機制及ACK的幀結構
確認機制是ZigBee通信時為增加數(shù)據(jù)傳輸可靠性而使用的一種機制[10]。如果發(fā)送端給接收端發(fā)送數(shù)據(jù)包時幀控制域設置請求確認，那么接收端在正確接收到數(shù)據(jù)包后，就會生成并發(fā)送一個確認幀通知發(fā)送端設備數(shù)據(jù)接收完成，否則，發(fā)送端就不會收到確認幀，就會重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。
ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸模式有3種，因此確認機制也相應地分為3種情況。如圖2所示，其中從設備是指路由或者終端節(jié)點。第一種是數(shù)據(jù)傳輸從協(xié)調器向終端節(jié)點或者路由節(jié)點，第二種是數(shù)據(jù)傳輸從路由或者終端節(jié)點向協(xié)調器，第三種是終端節(jié)點和路由節(jié)點之間的傳輸。
第一種情況下，從設備會首先通過MAC指令向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，如果協(xié)調器中有該設備的未處理數(shù)據(jù)，協(xié)調器就會先發(fā)送一個確認幀給從設備，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)，從設備在收到數(shù)據(jù)后，再發(fā)送一個確認幀給協(xié)調器表明數(shù)據(jù)處理任務已完成。第二種情況下，從設備傳輸數(shù)據(jù)給協(xié)調器，并向協(xié)調器請求確認，然后協(xié)調器在接收到數(shù)據(jù)包后會發(fā)送確認幀給發(fā)送端。第三種情況與第二種情況相似。這三種情況下，當數(shù)據(jù)是由從設備發(fā)往協(xié)調器時是否使用確認機制是可選擇的。
確認幀位于MAC層，圖3顯示了在基于ZigBee的無線傳感器中確認幀的結構。這是MAC層中最簡單的結構，它只有MAC報頭和MAC報尾，沒有有效載荷。MAC報頭由控制幀類型和被確認的幀的序列號組成，MAC報尾是用來進行錯誤檢測的幀校驗序列（FCS）。
2 仿真模型描述
本次對ZigBee網絡的仿真是在OPNET建模版本 14.5的平臺上實現(xiàn)的。設定的網絡尺寸為200 m×200 m，網絡包括14個節(jié)點，其中1個協(xié)調器、3個路由節(jié)點和10個終端節(jié)點。幀長度設置為1 024 B。幀發(fā)送給哪個節(jié)點是隨機的。對于確認機制中的參數(shù)，設置每次確認幀等待的時間為0.05 s，重發(fā)的最大次數(shù)為5次。
對于移動狀態(tài)下的ZigBee傳感網，仿真期間，OPNET將會在無線傳感器網絡的范圍內隨機選擇一個目標，然后節(jié)點會向其移動。需要注意的是，移動性被應用于無線傳感器網絡中除了協(xié)調器外的所有節(jié)點。也就是說，協(xié)調器總是固定的。該模型共包含了8種情況，如表1所示。
3 仿真結果與討論
3.1 端到端延遲
端到端的延遲被定義為發(fā)送器發(fā)送準備好的數(shù)據(jù)包到接收器接收到該數(shù)據(jù)包的間隔時間。
3.1.1 網狀拓撲結構下的確認機制對端到端延遲的影響
從圖4中可以看出，在固定網絡狀態(tài)下，網絡進入穩(wěn)定狀態(tài)后，有/無確認機制的兩種情況下，端到端的延遲非常接近，而且延遲幾近為常數(shù)。這是因為在固定網絡狀態(tài)下的網狀拓撲結構中節(jié)點之間的距離都比較近，這時數(shù)據(jù)可以被平穩(wěn)地傳輸與接收。
而在移動網絡狀態(tài)下，ZigBee網狀拓撲結構中端到端延遲與不使用確認機制相比，使用確認機制的網絡延遲增加了大約30%。ZigBee傳感節(jié)點的移動可能會導致重新發(fā)送的ACK幀的數(shù)量增加，因此針對移動網絡，使用確認機制會增加延遲。
3.1.2 樹狀拓撲結構下的確認機制對端到端延遲的影響
在樹狀拓撲結構中，無線傳感器網絡的延遲如圖5所示。在固定網絡狀態(tài)下，通常采用確認機制的網絡延遲會比不采用的更大。樹狀拓撲結構中，由于樹中信息通往每一個分支時只有一條路由通道，且距離由傳感器的位置決定，為了增加數(shù)據(jù)交換的可靠性，ACK幀的使用增加了更高的延遲。
在移動網絡狀態(tài)下，有/無確認機制延遲的數(shù)值大致相同。這種情況下的確認機制不增加額外的延遲，這是由于在移動網絡狀態(tài)下采用該機制的傳感網會試圖修復丟失的數(shù)據(jù)包。
3.2 吞吐量
圖6反映了固定網絡狀態(tài)的ZigBee網在有/無確認機制的情況下樹狀和網狀拓撲結構的吞吐量。可以觀察到此時網狀拓撲結構的吞吐量比樹狀結構的吞吐量大。這與在網狀拓撲結構中存在很多數(shù)據(jù)包的路徑而樹狀拓撲結構不存在有關。
圖7展示了移動網絡狀態(tài)的ZigBee網在有/無確認機制的情況下樹狀和網狀拓撲結構的吞吐量。此時樹狀拓撲結構的吞吐量比網狀拓撲結構大。樹狀拓撲結構中采用確認機制的吞吐量比不采用減少12%左右；而網狀拓撲結構中，采用確認機制的吞吐量比不采用增加17%。
4 結論
本文研究了ZigBee無線傳感網中確認機制對其性能的影響，結果表明確認機制對不同拓撲結構和不同網絡狀態(tài)的無線傳感網性能存在不同程度的影響，詳細結果如下：固定的傳感網狀態(tài)下，采用確認機制時的性能與未采用確認機制時的性能相比，網狀拓撲結構中的吞吐量降低了10%，延遲的數(shù)值大致相同；樹狀拓撲結構中的吞吐量增加了20%，延遲增加了23%。移動的傳感網狀態(tài)下，采用確認機制時的性能與未采用確認機制時的性能相比，網狀拓撲結構中的吞吐量和端到端延遲均有增加；樹狀拓撲結構中吞吐量會減少12%，延遲的數(shù)值大致相同。因此，在具體的ZigBee網絡應用中，應針對不同場合對系統(tǒng)性能的要求，選擇合理有效的網絡拓撲結構，以及確定是否采用確認機制。
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