基于OPNET的ZigBee网络

郑州轻工业学院

本科毕业设计（论文）

题 目 基于OPNET的ZigBee网络 __ 无线漫游性能研究 ___ 学生姓名 *** 专业班级 信息工程08-1班 学 号 200807070122 院 （系） 计算机与通信工程学院 指导教师(职称) 123（讲师） 完成时间 2012 年 5月 25日

郑州轻工业学院

毕业设计（论文）任务书

题目 基于OPNET的ZigBee网络无线漫游性能研究 专业 信息工程 学号 200807070122 姓名 *** 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一．主要内容：

1．熟悉ZigBee技术体系结构及特点； 2．对ZigBee网络层研究分析； 3．应用OPNET仿真软件； 4．分析ZigBee网络无线漫游性能。

二．基本要求：

1．熟悉ZigBee技术；

2．掌握ZigBee网络网络层的工作机制； 3．熟练运用OPNET仿真软件仿真建模； 4．分析比较ZigBee网络无线漫游性能。

三．主要参考资料：

1．有关无线通信技术的资料； 2．有关ZigBee网络方面的资料； 3．有关OPNET仿真软件的资料。

完 成 期 限： 2012 年 5 月 25 日 指导教师签名： 专业负责人签名：

年 月 日

基于OPNET的ZigBee网络无线漫游性能研究

目 录

摘 要 .................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................. II 1 绪论 ........................................................................................................3 1.1 选题背景 .......................................................................................3 1.2 Zigbee技术国内外研究概况 .........................................................3 2 ZigBee技术及其应用 .............................................................................5 2.1 ZigBee无线技术的简单介绍 ........................................................5 2.2 ZigBee技术的特点 .......................................................................7 2.2 ZigBee技术的优势 .......................................................................8 2.3 ZigBee技术的应用 .......................................................................9 3 ZigBee网络层 ...................................................................................... 11 3.1 网络层的功能.............................................................................. 11 3.2 网络新建 ..................................................................................... 11 3.3 设备加入网络..............................................................................12 3.4 设备退出网络..............................................................................14 3.5 网络报文的发送与接收...............................................................14 3.6 网络的漫游 .................................................................................16 4 OPNET网络仿真 .................................................................................17 4.1 OPNET简介 ...............................................................................17 4.2 OPNET仿真步骤 ........................................................................17 4.3 OPNET仿真建模方法.................................................................18

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5 仿真实现及结果分析............................................................................20 5.1 仿真目标 .....................................................................................20 5.3 仿真模型搭建..............................................................................20 5.4 仿真模型的配置 ..........................................................................22 5.4 仿真及结果分析 ..........................................................................26 5.5 结论 ............................................................................................29 结束语 ......................................................................................................30 致谢..........................................................................................................31 参考文献 ..................................................................................................32

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基于OPNET的ZigBee网络无线漫游性能研究

摘 要

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

本文主要介绍了ZigBee技术体系结构与特点，重点对ZigBee网络的网络层进行深入了解和研究，通过采用OPNET仿真软件对ZigBee网络无线漫游的仿真和分析，研究了基于OPNET的ZigBee网络无线漫游性能，以提高ZigBee网络在实际应用中的价值。

ZigBee技术还在不断完善，它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等显著的技术优势，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。有着广阔的应用前景。

关键词 ZigBee技术；网络层；OPNET；无线漫游

I

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器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户开发。

2.2 ZigBee技术的特点

自从马可尼发明无线电以来，无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。例如:广域网范围内的第三代移动通信网络(3G)目的在于提供多媒体无线服务，局域网范围内的标准从IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的数据速率。而当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术，这种无线通信技术具有如下特点:

(1)低功耗：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如：电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于1%的情况,电池的寿命甚至可以超过10年。

(2)低速率：数据传输速率只有20~250kb/S(2.4GHZ)，40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHZ)的原始数据吞吐率，能满足低速率传输数据的应用要求。

(3)数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

(4)网络容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件(FFD)和简化功能器件

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(RFD)。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控(Master)设备，其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator)，整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

(5)有效范围小：有效覆盖范围在10~75m之间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

(6)兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测(CSMA-CA)方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

(7)安全性：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。

(8)实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5~2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。而ZigBee的价格目标仅为几美分。

(9)工作频段灵活：用的频段分别为2.4GHZ、868MHZ(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段，具有16个扩频通信信道。相应的，WSN采取2.4GHZ工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。

2.2 ZigBee技术的优势

这里将几种短距离无线通信技术的性能进行比较，为了更加直观的表述和比较他们，用表2-1进行说明。从表中我们可以看出，无论是ZigBee技术、蓝牙

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技术、HomeRF技术、IEEE 802.11技术、DECT技术，还是超宽带技术以及RFID技术，他们都有各自的特点，适合于不同的应用场合，他们之间存在相互竞争、相互补充，谁也不能替代谁，相信他们在不断的竞争中，会取长补短，共同发展，为人们的生活需要提供更快捷、更方便的通信方式。

表2-1 几种短距离无线通信技术的比较

2.3 ZigBee技术的应用

根据ZigBee本身的技术特点，它主要适用于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电的场合，ZigBee联盟预测的主要应用领域包括家庭和楼宇自动化、工业控制、医用装置控制和农业自动化等。

在家庭自动化领域，ZigBee技术将拥有广阔的市场。它可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等各个方面。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品等，例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。通过Zigbee终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。

在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。

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在医学领域，将借助于各种传感器和ZigBee网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

在现代化农业领域，利用传感器可以将土壤湿度、氮浓度、PH值、降水量、气温、气压和采集信息的地理位置经由ZigBee网络传送到中央控制设备，使农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

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3 ZigBee网络层

网络层(NW K)是位于MAC层与应用层(APL)之间的一个协议层。网络层的任务是通过正确操作MAC层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。为了与应用层交互，网络层逻辑上包含两个服务实体：数据服务实体(NLDE)和管理服务实体(NLME)。

在ZigBee协议中，网络层主要负责新建网络、加入网络、退出网络和网络报文的路由传输等功能。

3.1 网络层的功能

ZigBee规范定义的NWK层协议，提供数据传输服务(NLDE)和管理服务(NLME)，其逻辑模型如图3-1所示。其中NLDE-SAP是NWK层提供给APL层的数据服务接口，用于将APL层提供的数据打包成网络层协议数据单元，并将其传输给相应节点的NWK层；或者将接收到的NWK层协议数据单元进行解包，并将解包后得到的数据传送给本节点的APL层。也就是说NLD E-SAP实现两个APL层之间的数据传输：NLM E-SAP是NWK层给APL层提供的管理服务接口；MCPS-SAP是由MAC层提供给NWK层的数据服务接口；MLME-SAP是MAC层提供给NWK层的管理服务接口。ZigBee网络层管理服务的主要功能有四个方面：构建一个新网络；设备加入已存在的网络；已加入网络的设备从网络中退出；网络报文的路由。

图3-1NWK层模型

3.2 网络新建

新建网络的功能只能由具有ZigBee协调者能力的设备来实现，将其自身初始化为一个新的ZigBee网络协调者。在接收到上层新建一个网络的调用后，该

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图5-11

为了更具体地知道移动节点的移动轨迹，我们把mobile_node_1离开子网的时间精确到秒，如图5-12所示。

图5-12

由上图我们可以精确地知道在3分48秒的时候移动节点mobile_node_1离开了子网PAN 1，在12分12秒时离开了子网PAN 2。

(2)网络的丢包情况分析：根据(1)的结论我们可以推导出，当移动节点mobile_node_1在离开子网PAN 1而尚未到达PAN 2的覆盖范围和mobile_node_1离开子网PAN 2但尚未到达PAN 3的覆盖范围时，将会有丢包的现象出现。而

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实际仿真的结果图像也恰恰验证了我们之前的推论，从图5-13中我们可以清楚地看到mobile_node_1出现的第一个丢包高峰是在4分钟左右，此时正是移动节点离开PAN 1但还未到达PAN 2。同样地，我们也可以很好地解释了mobile_node_1为什么会在12分钟左右出现第二次丢包高峰。

图5-13

(3)移动节点在全网漫游时各个子网的数据流量情况：移动节点mobile_node_1 在网络漫游时子网PAN 1，2和3 收到的流量数据如图5-14所示。从图中我们可以清楚地看到，在0到4分钟左右的时候，子网PAN 1的数据流量是最大的，这是因为在最初是它有一个额外的移动节点(mobile_node_1)给它提供了额外的数据流量。因此，在多出一个节点的情况下，数据流量肯定也最大。同样的情况发生在PAN 2、PAN 3中，当mobile_node_1转到PAN 2，PAN1收到的流量下跌而PAN 2收到的流量增加。在12分钟左右时，类似的事情再次发生在PAN 2和PAN 3 中。

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图5-14

5.5 结论

通过本次仿真，在ZigBee网络中，实现了移动节点在通过具有多个子网的网络时的传递行为。通过分析移动节点mobile-node-1，实现了经过子网PAN 1、PAN 2、PAN 3时的网络数据和流量，这样更好地掌握研究ZigBee网络无线漫游的性能。

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结束语

在本次毕业设计中，我在查阅了大量有关ZigBee网络、OPNET网络仿真的书籍和互联网资料的基础上，对ZigBee网络无线漫游性能作出了研究，并对ZigBee网络的现状和未来发展趋势做出了探讨。

ZigBee技术还在不断完善，它所具有的低功耗、 低成本、使用便捷等显著的技术优势，使它必将有着广阔的应用前景。ZigBee联盟预言在未来的四到五年内，每个家庭将拥有50个ZigBee器件，最后将达到每个家庭150个。相信在不久的将来，基于ZigBee技术的产品会走进全球每家每户，在提高我们的生活质量方面作出突出的贡献。

由于本人设计水平的局限，本设计仍有许多不足之处，还望老师给予指正。

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致谢

在郑州轻工业学院度过的4年大学求学生涯，是我人生中一段难忘的回忆，它见证了我成长的点点滴滴。感谢母校对我的培养和教育，使我在各方面都有了很大得提高，为以后的人生积累了很多宝贵的经验。在此，谨向给予我指导、关心、支持和帮助的老师、同学和朋友表示忠心的感谢!

首先要特别感谢我的导师李娜娜老师，他在学习和生活上给了我极大的关心和帮助。李老师渊博的知识、严谨的治学态度和一丝不苟的学术风范，是我工作、学习的榜样。导师的平易近人，处处为学生着想的无私精神，让我倍感亲切。导师的谆谆教诲，让我终生难忘，谨致以最衷心的感谢和最诚挚的敬意。

其次在本课题的研究过程中，同班的屈燕、王尚等同学总是将所查找的资料和所获得的信息与我共同分享。我们还一起讨论设计过程中遇到的问题，并在讨论中得到答案。在这里，我也要向他们表示感谢，并祝他们以后工作顺利，事业有成！

最后，我要感谢我的家人。在多年的求学路途上，他们对我一如既往的支持和鼓励，是我人生不断奋斗向上的动力。对于他们这么多年的关怀和爱护，我只能以更加努力的学习和工作作为回报。

再次感谢所有关心、支持并帮助过我的老师和同学们！

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参考文献

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[8]李馨.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安电子科技大学，2006，6-146 [9]王文博，张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].人民邮电出版社，2003

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1wd6.html