摘 要： 為了評估和優化ZigBee網絡性能，使用OPNET仿真軟件仿真分析了ZigBee協議中的確認機制對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（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（如醫療、安全、工業、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/不可靠的數據傳輸或固定/移動傳感器網絡狀態，因此，需要設備采用不同的機制來支持這些傳感器，以確保數據包的正確傳送。
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系統性能的可選功能，這種機制是接收端在接收到有效數據包后，在MAC層使用一種特殊類型的小尺寸的幀發送給發送端做出確認，若收不到確認幀，發送端將重傳數據，以此提高ZigBee數據傳輸的可靠性。
在評估ZigBee系統性能方面，參考文獻[3]提出對固定網絡狀態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點移動的網絡狀態下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，研究了星型、樹狀和網狀拓撲結構下不同數量的移動節點對ZigBee系統的性能的影響。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點數量的增多，端到端的時延逐漸減小，但依舊沒有提到確認機制對系統性能的影響。
本文利用仿真軟件OPNET對ZigBee協議中的確認機制在不同網絡拓撲結構和不同傳感網狀態下對系統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點：協調器、路由器和終端設備[8]。從性能角度講，協調器是ZigBee的頂級設備，每個ZigBee網絡中有且只能有一個協調器，用來負責啟動、維護網絡，可為新加入的網絡節點分配16位短地址等。路由器是ZigBee的第二級設備，它可發送和接收數據，也可作為中間設備工作，具有路由轉發功能，同時也輔助其他節點加入網絡。終端設備是ZigBee最低一級的設備，位于網絡的邊緣，只具有采集和發送信息的功能，不具有路由轉發功能。
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，它由一個協調器和多個終端節點組成，終端直接和協調器通信，沒有路由節點，終端節點之間不能直接通信，要通過協調器來轉發。
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”節點，多個葉節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，可用于一些監測節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的，它將網絡中具有路由功能的節點直接連接在一起，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通信時為增加數據傳輸可靠性而使用的一種機制[10]。如果發送端給接收端發送數據包時幀控制域設置請求確認，那么接收端在正確接收到數據包后，就會生成并發送一個確認幀通知發送端設備數據接收完成，否則，發送端就不會收到確認幀，就會重新發送數據包。
ZigBee的數據傳輸模式有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點。第一種是數據傳輸從協調器向終端節點或者路由節點，第二種是數據傳輸從路由或者終端節點向協調器，第三種是終端節點和路由節點之間的傳輸。
第一種情況下，從設備會首先通過MAC指令向協調器發送數據請求命令，如果協調器中有該設備的未處理數據，協調器就會先發送一個確認幀給從設備，然后再發送數據，從設備在收到數據后，再發送一個確認幀給協調器表明數據處理任務已完成。第二種情況下，從設備傳輸數據給協調器，并向協調器請求確認，然后協調器在接收到數據包后會發送確認幀給發送端。第三種情況與第二種情況相似。這三種情況下，當數據是由從設備發往協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的平臺上實現的。設定的網絡尺寸為200 m×200 m，網絡包括14個節點，其中1個協調器、3個路由節點和10個終端節點。幀長度設置為1 024 B。幀發送給哪個節點是隨機的。對于確認機制中的參數，設置每次確認幀等待的時間為0.05 s，重發的最大次數為5次。
對于移動狀態下的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調器外的所有節點。也就是說，協調器總是固定的。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送器發送準備好的數據包到接收器接收到該數據包的間隔時間。
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，在固定網絡狀態下，網絡進入穩定狀態后，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。這是因為在固定網絡狀態下的網狀拓撲結構中節點之間的距離都比較近，這時數據可以被平穩地傳輸與接收。
而在移動網絡狀態下，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傳感節點的移動可能會導致重新發送的ACK幀的數量增加，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，為了增加數據交換的可靠性，ACK幀的使用增加了更高的延遲。
在移動網絡狀態下，有/無確認機制延遲的數值大致相同。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下采用該機制的傳感網會試圖修復丟失的數據包。
3.2 吞吐量
圖6反映了固定網絡狀態的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據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。
參考文獻
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