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终稿中文基于ZigBee的无线传感器网络多事件同时发生的模拟与执行
基于ZigBee的无线传感器网络多事件同时发生的模拟与执行
NitinDhama,Minal,PrabhjotKaur,NeeluKumar
SRMUniversity/ECEDepartment,Ghaziabad,India
GurgaonInstituteofTechnology&Management/ECEDepartment,Gurgaon,India
ITMUniversity/ECEDepartment,Gurgaon,India
CERTMeerut/CSDepartment,Meerut,India
摘要：
ZigBee是一种无线传感器网络（WSNs）的新兴标准。
它专注于低距离，低数据率，低功耗和低成本应用。
根据标准命名法，它实现了低速率无线个域网络（LR-WPAN）。
ZigBee上层协议（网络层和应用层）是在ISO参考模型上定义的。
相反，在物理层和数据链路层，它依赖于对另一标准——被广泛接受的IEEE802.15.4，它提供了在2.4GHzISM许可频段中最大值为250kbps的传输速率。
虽然ZigBee是基于事件的应用而设计的，但ZigBee仍被设计为一种低成本，低功耗，低数据速率无线网络技术。
在许多无线传感器网络中都需要将信息同时不间断的发送到协调器中。
在本文里，我们的目的是测试多个事件同时发生在ZigBee网络中的影响。
此外，我们希望看到在这个试验中增加一些事件后产生的影响，使我们可以发现其效果。
第1章绪论
无线传感器网络是一个大量独立的传感器节点的集合。
这些节点具有发送，接收和传感的能力。
但他们被他们的一些资源所制约，如处理能力，内存，带宽等。
由于其在科学，医疗，商业和军事包括环境监测，工业检测和诊断，战场意识，安全监控等丰富的应用，无线传感器网络已经被重视。
一个无线传感器网络是由成千上万个传感器节点随机的在现场部署形成的。
无线传感器网络的一个分支，即工业传感和控制应用的理想选择：
低速率无线个域网络（LR-WPAN）。
这些LR-WPANs的PHY和MAC层协议是根据IEEE802.15.4标准指定的，而更高层的协议是由ZigBee联盟[1]规定。
ZigBee网络标准的最初版本是在2004年出版，它满足了建立一个可靠，低成本，低功耗的针对家庭，企业和工厂自动化应用的无线网络监测和控制平台的目标。
见证了过去几年无线网络的快速增长。
到现在无线网络已经主要集中在相对高速远程通信和应用上，如IEEE802.11无线局域网（WLAN）规范。
众所周知的第一个标准的低速率无线个域网络（LR-WPAN）是蓝牙。
但是它限制了许多网络节点的能力。
许多应用在工业及家庭环境中的无线监控需要比现有的标准具有更长的电池寿命，更低的数据传输速率。
对于这种无线应用需求，一种称为IEEE802.15.4的新的标准被IEEE开发了出来，新标准也被称为ZigBee[2]，新添加的协议栈被ZigBee联盟定义使用。
第2章ZigBee基础
ZigBee是这个名字据说来自蜜蜂，它使用一个曲折的舞蹈把重要信息传达给其他蜜蜂。
这种通信舞（以下简称“ZigBee的原理”）就是工程师们试图用这一协议来模仿的，许多单独的或单一的有机体，联合起来处理一堆复杂的任务的方法。
ZigBee被设计为一种低成本，低功耗，低数据速率无线网络技术。
ZigBee规范确定了在一个典型的ZigBee网络中的的三种设备[3]：
（1）网络协调器保持整个网络的消息，它是三种类型中最复杂的，并要求内存和计算能力都是最好的。
（2）全功能设备（FFD）支持所有IEEE802.15.4功能和标准规定的功能，它可以作为一个网络协调器，附加的内存和计算能力使它作为理想的网络路由功能或是终端设备（网络接触真实世界的地方）使用。
（3）精简功能设备（RFD）进行部分功能的限制（如标准规定），以降低成本和复杂性，普遍用在网络边缘设备。
将RFD用在极低的功率消耗是必要的
2.1ZigBee结构
为了便于讨论，在一个ZigBee工程里有三个方面的结构责任。
（1）由IEEE802.15.4规范物理层和MAC层充分利用物理无线功能。
IEEE802.15.4规范描述了一个采用直接序列扩频的对等广播网络，该规范还规定了使用的数据传输速率，通道和调制技术。
（2）ZigBee联盟规定的逻辑网络，安全性和在固件栈中的应用软件，它是具有创造网状网络能力的ZigBee网络协议栈[4]，由于微控制器和射频芯片的差别，每个微控制器或者射频芯片组合都需要自己的ZigBee协议栈。
通常，微控制器和射频芯片都包含ZigBee协议栈，协议栈可能由来自第三方的芯片供应商提供，或由第三方提供一个特定的微控制器/芯片组合。
（3）应用层定义为配置文件，其中有两种类型：
由ZigBee联盟认证的互操作性目的的公共配置文件和在封闭系统中使用的私有配置文件。
2.2网络拓扑
IEEE802.15.4可以设置两种网络，星型拓扑网络结构和对等拓扑网络结构，拓扑结构如图1所示，在ZigBee中，这两种拓扑结构结合起来可以建立所谓的网状网络结构。
2.2.1星型网络的结构
第一个FFD被激活可以建立自己的网络，并成为个域网（PAN）协调器，FFD和RFD设备都可以连接到PAN协调器，广播影响范围内的所有网络必须有一个唯一的PAN身份，在PAN中的所有节点必须跟协调器通信。
2.2.2对等网络结构
在对等拓扑结构中也有一个PAN协调器，但它与星型拓扑结构不同的是：
只要在彼此范围内，任何设备都可以与任何其他设备沟通，在图1显示的对等拓扑结构允许实施更复杂的网络形态，如网状拓扑。
图1：
网络拓扑
第3章ZigBee协议概述
ZigBee[5]是一种为低速率控制网络设计的无线网络协议标准，ZigBee协议的一些应用包括组建自动化网络，组建安全系统，工业控制网络，远程抄表以及PC外设，以下各节是与Microchip协议栈功能有关的ZigBee协议的简要概述。
有兴趣的读者可以参阅ZigBee的网站获取更多信息（www.zigbee.org）。
3.1IEEE802.15.4
ZigBee协议用IEEE802.15.4[6]规格作为它的媒体接入层（MAC）和物理层（PHY），IEEE802.15.4总共定义了三种工作频段：
2.4GHz,915MHz和868MHz。
每个频带提供固定数量的频道，例如，2.4GHz频段总共提供16个频道（通道11-26）;915MHz提供10个频道（频道1－10）和868MHz提供1个频道（频道0）。
该协议的比特率取决于工作频率的选择，2.4GHz频段提供的速率为250kbps，915MHz的为40kbps和868MHz提供了一个20kbps的数据速率。
由于丢包率和处理延迟，使实际的数据吞吐量超过指定的比特率，IEEE802.15.4的MAC数据包的最大长度为127字节，每个数据包由头字节和16位CRC值组成，16位CRC值验证帧的完整性。
此外，IEEE802.15.4可选用公认的数据传输机制，使用这种方法，所有带有这种特殊的ACK位的标志的帧都能被接收器识别，这就确保帧正在工作。
如果一个带有ACK标志的帧被发送后在一定时间内没有收到确认信息，发射机在宣布错误之前会对固定的号码进行一次传输。
特别要注意的是，接收到一个简单的接受确认信号帧则表示帧被MAC层正确的接收到[7]。
但是，它并不表示该帧被正确处理，可能MAC层的接收点收到并确认了帧的正确，但由于没有对资源进行处理，又或是帧可能在上层丢失。
因此，在那些上层和应用层中需要额外的添加应答响应。
3.2网络结构
一个ZigBee无线网络可以承担多种类型结构，星型网络结构由一个协调器节点（一个“主要的”）和一个或多个终端设备（次要的）组成，协调器是一个全功能设备（FFD），它实现了更大的ZigBee服务的设置。
终端设备可以是FFD也或一个精简功能设备（RFD），一个RFD是最小的，最简单的ZigBee节点，它仅实现了ZigBee最基本的服务。
在星型网络中，所有终端设备只和协调器进行通信。
如果一个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它发出的数据从一个协调器到另一个协调器依次传送，最终将数据转发到接收终端设备上。
除了星型网络，ZigBee网络还可以采用对等网络，簇网络或网状网络等结构。
由于能够在多个网络之间路由数据包，簇网络和网状网络也称为多跳网络，而星型网络被称为单跳网络。
和其他网络一样，ZigBee网络是一个多接入网络，这意味着网络中的所有节点都获得了平等的接入媒介。
多接入网络机制[8]有两种，在非信标使能网络中，网络中的所有节点都可以在信道空闲的任何时间传输，在信标网络使能中，节点只可以在预定时段传输。
带有一个作为信标帧的管理帧的协调器会定期开始，并且网络中的所有节点与此帧同步，在允许发送和接收的数据的期间，超帧中的每个节点被分配了一个特定插槽，一个超帧可能还包含一个通用插槽以供在所有节点竞争访问通道时使用。
微芯片当前版本的协议栈只支持非信标使能星型网络结构。
3.3网络协议
ZigBee网络可以是自适应的[9]，这意味着一个新的网络是根据需求形成或不形成。
在星型网络结构中，终端设备在完成任何数据传输前将会一直搜索网络。
一个新网络最早设立的是协调器。
启动时，协调器将搜所它附近其他协调器，如果没有找到，它就会建立自己的网络，并选择一个唯一的16位PANID。
一旦建立一个新的网络，终端设备就会被允许与这个网络相联，允许或不允许新联接的确切决定取决于协调器。
一旦网络形成，有可能是由于物理的变化，一个以上的网络可能会重叠和产生PANID冲突，在这种情况下，其中一个协调器可以发起一个PANID冲突解决程序或其中一个协调器会改变它的PANID或通道。
受到影响的协调器会指示其所有终端设备进行必要的更改，微芯片当前版本的协议栈不支持PANID冲突解决。
根据系统需求，协调器可存储在非易失性内存中，这种网络关系被称为邻接表。
为了连接到网络，终端设备要么执行孤立通知过程来查找先前相关的网络要么执行关联程序加入一个新网络，在孤立通知程序的情况下，协调器会承认通过查找其邻接表以前相关的终端设备。
一旦关联到网络，终端设备可以通过执行程序选择脱离网络，如果需要，协调器本身也可能启动解除关联程序来强制节点离开网络。
微芯片当前版本的协议栈支持新的关联和孤立通知程序。
它只支持由终端设备发动的网络许可程序。
图2：
ZigBee协议栈
3.4IEEE802.15.4PHY
IEEE802.15.4规范定义了三个不同的频段，以符合欧洲，日本，加拿大和美国的规定，在不同的频段中总共有27个可有的频道。
3.5IEEE802.15.4MAC
媒体访问控制（MAC）层可以处理网络关联或非关联，还具有与时间同步信标的可选的超帧结构，还是一个有保证的时间槽（GTS）的高优先级的通信机制。
第4章仿真设置
基于ZigBee的无线传感器网络的性能评估是通过网路模拟器Qualnet5.0（一个对无线网络提供扩展模拟的软件）模拟的，在模拟中，我们认为一个传感器网络具有12个移动节点和静态放置数据接收点（根节点），数据接收器节点（13）是一个作为PAN协调器的全功能设备。
在这里，我们使用IEEE802.15.4，即没有移动模型的移动节点和AODV（无线自组网按需平面距离矢量路由协议）路由的PHY和MAC层的无线标准[10]。
我们采取了将多个事件在同一时间发生的方案，我们给每个事件转递300个数据包，图4显示了表1中的六个事件的情况。
实验-1
1个事件（300个数据包）
实验-2
2个事件（600个数据包）
实验-3
3个事件（900个数据包）
实验-4
4个事件（1200个数据包）
实验-5
6个事件（1800个数据包）
表1：
每个数据包的数
图3：
六个事件的方案
模型中的组件有无线子网，节点配置和CBR流量，仿真参数如表2所示，所有的剩余的参数都是默认值。
MAC层参数
MAC协议
802.15.4
设备类型
RFD（1-12）
设备类型
FFD（13）
FFD模式
PAN协调器
物理层参数
广播类型
802.15.4广播
传输功率
3db
数据包接收模型
PHY802.15.4
调制方案
O-QPSK
CCA模式
载波侦听
路由协议参数
路由协议IPv4
AODV
CBR应用参数
发送项目
500（每个事件）
项目大小（bytes）
50
距离
1
开始时间
1
结束时间
501
表2：
不同层的参数值
第5章结果和性能指标
%丢包率（X）={1－（接受到的包的总数/发送的包总数）100}
%收到的错误信号率（Y）=（收到的错误信号/发送的信号）100
能耗：
能源消耗（毫焦耳）在发送和接收模式中。
端至端延迟：
端至端延迟是一个数据包穿过n/w从发射源到目的地所需的时间。
抖动：
在数据包到达时的变化被称为抖动。
结果：
多事件产生的影响
ZigBee无线传感器网络的性能评估是使用五个不同的方案，分别为1、2、3、4各自发生和五个事件同时发生。
路由算法AODV协议结果被用来列于表3。
参量
Exp:
1
Exp:
2
Exp:
3
Exp:
4
Exp:
5
%丢包率（X）
3.33
11.33
16.00
20.00
43.95
%收到的错误信号率（Y）
.0067
.0088
.0114
.0127
.0646
平均端至端延迟（S）
.0092
.0677
.1953
.2828
.57618
平均抖动
.0045
.0261
.0647
.1001
.1883
发送模式的能耗（毫焦耳）
.0117
.0132
.0148
.0163
.0192
接收模式的能耗（毫焦耳）
.0742
.0766
.0797
.0822
.0876
表3：
多事件的影响
图4（a）.%数据包的丢失
图4（b）.%收到的错误信号
图4（c）平均.端到端延时
图4（d）.平均抖动
图4（e）.在接收模式的能源消耗（毫焦耳）
图4（f）.在发射模式的能源消耗（毫焦耳）
结论
ZigBee无线传感器网络的性能评估是通过所谓的网路模拟器Qualnet5.0模拟成功的，从网络模拟器的显示的结果，我们可以鉴定ZigBee在有多个应用同时不间断发生的传感器网络场景中的应用效果不是很好。
结果表明，随着同时发生的事件数量的增加，数据包丢失率,收到的错误信息,端到端的平均延时和平均抖动不断增加,在发射模式的能源消耗（毫焦耳）和在接收模式的能源消耗（毫焦耳）也不断增加。
参考文献
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[4]IEEE802.15.4Standard（2006）
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[8]Zigbeealliance.http:
//www.zigbee.org.
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[10]SlobodankaTomic,Network-GrowingScenariosinIEEE802.15.4WirelessSensorNetworks,TelecommunicationsResearchCenterVienna（ftw.）
[11]NaveenSastry,DavidWagner（UniversityofCalifornia,Berkeley）,SecurityConsiderationsforIEEE802.15.4Networks
[12]ThomasW.Carley（tcarley@eng.umd.edu）,AWirelessSensorNetworkSimulator
[13]Perkins,C.,Royer,E.:
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Proc.oftheSecondIEEEWorkshoponMobileComputingSystemsandApplications（WMCSA’99）.（1999）90–100
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