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毕业论文(设计)

英文文献翻译

英文题目 OPNET-based modeling and simulation of mobile Zigbee sensor networks

中文题目基于Opnet的移动Zigbee传感器网络建模与仿真

基于Opnet的移动Zigbee传感器网络建模与仿真

Xiaolong Li Meiping Peng

Jun Cai Changyan Yi

Hong Zhang

摘要：建模和仿真可以帮助验证和评估无线传感器网络（WSNs）在特定应用中的性能。为了解决现有Zigbee 无线传感器网络仿真模型中节点移动性限制的问题，本文提出了一种使用OPNET仿真器的Zigbee兼容新型仿真模型。基于网络建模与仿真中的Zigbee MAC层模型，我们开发了网络层模型，并提出了一种改进的AODV路由算法来支持节点移动性，这两种模型都与Zigbee协议兼容。我们进一步详细介绍了网络的结构多层过程模型及其内核函数的实现过程。在OPNET标准库中，对所提出的模型与Zigbee模型进行了综合性能比较。为了评估所提出的模型在节点移动性支持方面的有效性，还测量了路由失败发生和路由恢复之间的时间间隔。实验结果表明，与原始仿真模型相比，所提出的仿真模型具有更好的性能。 另外，当节点移动性导致路由失败时，可以通过所提出的模型快速建立替代路由。

关键词：OPNET、ZigBee、IEEE802.15.4、模拟、网络层移动性

1 介绍

无线传感器网络通常由部署在感兴趣区域的大量传感器节点组成，以收集物理或环境条件，如温度、湿度、压力等。在无线传感器网络中，性能评估是检验网络体系结构和协议算法实用性的关键，也是性能优化的指导。在不同的候选人中，模拟提供了一种经济高效的方式。近年来，研究人员在不同的仿真平台上开发了许多仿真模型，如OPNET，NS-2，TOSSIM，EmStar，OMNeT ，J-Sim，ATEMU和Avrora ^[1]。与其他模拟器相比，OPNET更适合于模拟现实世界中的网络行为。OPNET Modeler作为网络模拟器，提供业界领先的网络技术开发环境^[2]。它可以用于网络的设计和研究在应用、设备、原始通信和网络通信等方面进行建模和仿真，在实际系统设计中表现出灵活性和直觉性。

近年来，Zigbee技术通过形成低速率、低功耗、安全组网的无线网状网络，被广泛应用于无线传感器网络^[3]的开发中。在Zigbee协议栈中，物理层和MAC层协议是按照IEEE802.15.4标准^[4]定义的。其构建于两个较低层的网络层应设计为启用网状网络，支持节点加入或离开，将网络地址分配给设备，并执行路由。ZigBee联盟致力于为传感器网络提供一套标准化的基本解决方案^[5]。在本文中，为了实现所有定义的功能，针对移动传感器网络提出了网络层模型。应用层旨在为应用程序提供服务，包括应用程序支持子层，应用程序框架和Zigbee设备对象。由于该层与特定的应用程序有关，并且不是本文的重点，因此应用程序层的设计在此处省略。

在OPNET仿真器中对Zigbee传感器网络的仿真一直受到研究者的关注。关于OPNET^[6-7]的传感器节点的仿真、建模和评估等方面的研究工作很多。例如，Kucuk等人^[6]提出了一种详细的定位算法实现方法，称为M-ssle。Shrestha等人^[7]为配备多种无线电技术的新网络节点提出了一个仿真模型。然而，对于移动传感器网络的仿真模型研究较少。设备移动是不可避免的，而且必须是调和^[8-9]，缺乏对移动Zigbee传感器网络仿真的支持，是这一领域研究、评价和发展的主要局限。

在^[10]中，对处理不同流动案件的现行规定是否充分进行了评估。仿真结果表明，现有的OPNET标准库模型是无效的。在处理节点移动时。由于OPNET仿真器为分布式系统和通信网络建模提供了一个全面的仿真环境，许多针对Zigbee传感器网络的仿真研究在OPNET仿真器中进行^[11–16]。根据OPNET仿真器标准库(ZMOMSL)中使用Zigbee模型进行的性能研究，该模型存在一些不足。例如，它的地址分配机制可能浪费地址空间，高通信开销可能会降低网络的生命周期，和网络连接的策略可能会导致严重的流量冲突和堵塞^[17-18]。在所有这些缺点中，最关键的问题是Zigbee模型不能支持设备的移动性节点。这促使我们开发了一种基于OPNET模拟器的移动Zigbee传感器网络仿真模型。

本文的主要贡献总结如下：1)采用OPNET仿真开发平台，设计兼容Zigbee协议的移动Zigbee传感器网络仿真模型，采用IEEE 802.15.4定义的物理层和MAC层。2）提出了移动传感器节点的节点级设计，给出了其网络层模型的过程级模型和关键功能的详细实现过程。3)为了进一步降低节点的通信开销，提出了一种改进的AODV路由算法，该算法在支持节点移动性方面表现出优越的性能。

本文的其余部分如下。第二节详细讨论了网络过程模型的设计。在第三节中，我们提出了一种新的仿真模型，可以为Zigbee设备提供移动支持。第四节给出了我们的仿真结果，并展示了我们提出的模型与ZMOMSL的实验比较。第五节得出结论。

2 仿真系统模型的设计

2.1节点模型设计

如图1所示，OPNET仿真器中的Zigbee节点模型通常包括物理层、MAC层、网络层和应用层。物理层包括发射机模块，接收机模块和无线管道模型。无线管道模型可以配置成构建一个真实的无线电环境。在MAC层中，使用具有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA / CA）协议。对于网络层，提供了以下服务：网络的形成、加入和离开网络的节点、网络地址的分配、邻居发现和路由维护发现。应用层负责生成和处理传感数据。在本文的其余部分，我们将重点介绍移动Zigbee传感器网络的网络层模型的设计。

图1 发展的节点模型

2.2网络层模型的设计

在ZigBee标准框架中定义了三种类型的设备：协调器、路由器和终端设备。协调器负责组建新的网络、存储网络的关键参数并连接到其他网络。在Zigbee网络中总是有一个单独的协调器。在基于Zigbee的无线传感器网络中，汇聚节点通常扮演网络协调者的角色。路由器具有路由功能。具体来说，它可以允许其他设备作为子节点加入网络，并路由数据包。终端设备没有路由功能，它只依赖其父节点（协调器或路由器）来路由数据包。与协调器和路由器相比，终端设备的硬件结构更简单。

每个设备节点在Zigbee网络中都有一个16位的短地址和一个64位的扩展地址。64位扩展地址是由制造商设置的，类似于每个节点唯一的MAC地址。当节点加入网络时，16位短地址由其父协调器或路由器动态地分配给节点，它与Internet网络中的IP地址相似。 Zigbee标准使用分布式地址分配机制，在节点加入网络时，将地址分配给节点。网络地址由协调器提供的以下网络参数确定：为每个路由器允许的最大儿童数量，为连接到每个路由器的子路由器的最大路由器数量，为整个最大深度网络。协调器决定整个网络的深度。由深度为d的每个父母分配的地址子块的大小可以被描述为：

其中意味着该节点不具有接受子节点的能力，否则。 如果网络地址 分配给第m个路由器子节点和被分配给深度为的第m个终端设备子代时，它们可以通过以下等式获得：

（2）

（3）

其中，表示父地址，即。

由于树地址分配机制可以为整个Zigbee网络提供简单而可靠的路由方法，因此在我们提出的仿真模型中采用树地址分配机制，以便在加入网络时为设备节点（路由器或终端设备）分配网络地址在第一时间。 为了建立支持节点移动性的IEEE 802.15.4 / Zigbee协议模型，我们提出了一个基于OPNET仿真平台的网络层过程，如图1所示。2、在网络进程模块中，通过进入初始状态并强制遍历到状态等待，所有类型的设备开始执行初始化过程。

1. 如果节点是协调器，它将首先设置一个网络。通过执行转换函数执行wpan_execute_scan()，协调器将扫描所有频道选择一个空闲信道。之后，它将调用set_ network状态进入execswpan_zigbee_network()来选择网络ID并配置其他网络参数。然后它将进入行为状态来处理网络连接和离开请求、路由消息。在与活跃状态相关的所有函数中，在从MAC层接收数据包时将执行函数wpan_handle_mac_pk()，而函数aodv_rte_ rrep_hello_message_send()实现路由功能。通过定期广播Hello数据包并从邻居那里接收Hello数据包，节点(终端设备除外)将更新其路由表和邻居表。对于终端设备，它们将从其邻域内的候选路由器中选择一个合适的节点作为其父节点。
2. 如果节点不是协调器，它将通过执行函数wpan_execute_scan()来扫描所有信道来执行。如果它找到一个可用的信道，网络在其中运行，它将过渡到join_ network状态，并开始执行函数wpan_zigbee_join_net_work()，其中它将向有关路由器或协调器发送一个Join request数据包，请求加入网络，然后等待对其请求的响应。在接收到Join Response数据包后，节点将进入动作生命状态。

2.3网络连接

如图2所示，所有部署的节点都在初始状态下开始。每个节点被归类为协调器、路由器或终端设备。MAC层信道扫描由协调器立即调用。网络初始化过程，将其状态更改为set_network。MAC层信道扫描完成后，协调器将寻找合适的信道来建立新的Zigbee网络。 在找到合适的无线电信道后，协调器将为新网络分配一个网络标识符，该标识符与其他现有网络不冲突。然后它会为自己分配一个网络地址,其状态将切换到活跃状态。协调器完成上述操作后，网络就形成了。此后，其他节点将有机会加入该网络。下面描述网络连接实施过程的细节，并在图3中进行说明。

图2 OPNET中的Zigbee网络层模型

图3 节点加入网络的过程

当子节点A想要发送加入请求时，首先在MAC层执行信道扫描过程，然后广播信标请求帧。进程状态然后转移到加入网络。同时，启动信道感测持续时间的定时器。在我们的模型中，初始值是在区间中选择的，其中即使考虑到处理延迟，传输延迟和传播延迟，0.2s对于等待和接收来自其相邻节点的回复帧而言是非常合适的。在此期间，节点A收到信标帧后，将邻居信息存储在邻居表中。在计时器结束时，MAC层安排一个远程中断来注意网络层。然后，节点A从自身中选择一个节点（协调器或路由器）的跳数最小的节点作为其潜在的父节点，用B表示，它具有能力和允许接受新子节点的能力。然后，节点A向节点B发送加入请求帧，并启动定时器以等待相应的加入响应帧。定时器的初始值设置为0.2s。 如果它在超时之前收到节点B的加入响应帧，则节点A成功加入网络。其进程状态进入数据通信的活动状态。否则，节点A在其邻居表中选择一个新的合适的父节点并发送一个新的加入请求帧。但是，如果邻居表中没有合适的父节点，它将再次调用MAC层信道扫描。进程状态将保持在加入网络中，直到节点A成功加入网络。

对于父节点，一旦接收到信标请求帧，它将广播新的信标帧。当它接收到一个连接请求帧，它将使用分布式地址分配机制来判断它是否有能力采用子节点。如果可用，它将分配一个网络地址并发送将响应框架连接到子节点。否则，它将丢弃连接请求帧。与Zigbee标准网络层协议相比，与Zi

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