ZigBee网络CSMA_CA协议及典型网络拓扑性能仿真分析.pdf
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1、第 22 卷 第 3 期Vol.22No.32023 年 6 月Jun.2023广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报JOURNALOFGUANGDONGINDUSTRYPOLYTECHNICZigBee 网络 CSMA/CA 协议及典型网络 拓扑性能仿真分析*刘清华(浙江育英职业技术学院,浙江 杭州 310018)摘要:ZigBee 网络在未来物联网行业尤其是智慧城市的建设中将得到广泛的应用。CSMA/CA 协议用于节点间数据传输时的信道争用机制,利用 ACK 信号来避免冲突的发生。介绍了 ZigBee 网络技术特点,阐述了 IEEE802.11MAC 层的点协调功能 PCF 和分布
2、协调功能 DCF,分析了 CSMA/CA 协议尽量避免碰撞的机制和 MAC 层成帧效率。基于 OPNET 仿真平台,搭建了星型、簇型和网状型三种典型 ZigBee 网络拓扑,设置了仿真场景和节点属性,分析了不同拓扑结构、不同节点数对网络吞吐量的影响。结果表明,三种典型网络拓扑中,网状型网络的吞吐量明显高于其它两种网络,但无论哪种网络,其吞吐量都随着节点数的增多而呈下降趋势。因此,在 ZigBee 网络的实际应用中,需综合考虑网络布设的拓扑结构和合适的节点数,提高 ZigBee 网络的通信效率。关键词:ZigBee 网络;CSMA/CA 协议;典型拓扑结构;吞吐量;OPNET 仿真平台中图分类号
3、:TP393.1 文献标识码:A 文章编号:1672-1950(2023)03-0001-06ZigBee 基于 IEEE802.15.4 协议,是一种低传送速率的无线 PAN(Personal Area Network,个人局域网)协议。ZigBee Alliance(ZigBee 联盟)定义了网络层、安全层、应用层以及各种应用产品的构架,而 IEEE802.15.4 标准则定义了物理层和 MAC 层。根据节点的不同功能和作用,将 ZigBee 设备分为全功能设备(Full-Function Device,FFD)与精简功能设备(Reduced-Func-tion Device,RFD)。F
4、FD 设 备 能 提 供 全 部 的IEEE802.15.4MAC 服务,可以成为协调者并选取一个信道建立新网络,发挥收发数据、路由等功能,而 RFD 设备只提供部分的 IEEE802.15.4MAC 服务,只能关联协调者才能进入网络,发挥数据收集、信息发送等功能1。ZigBee Mesh 网络中有三种节点类型:协调收稿日期:2023-04-18*基金项目:2022 年浙江省教育厅科研项目资助(Y202250488)。作者简介:刘清华(1984),女,硕士,副教授,研究方向:计算机信息管理技术、大数据技术。器、路由器和终端设备,且只能有一个协调器。协调器会设置网络并选择工作信道和 PAN ID
5、。建立网络之后,协调器就会充当路由节点并管理其他网络功能,协调器不可休眠,必须一直通电。路由器可以加入现有网络并发送、接收和路由信息,终端设备也可以加入现有网络,但只能通过父节点进行通信,且不能将消息中继到其他节点,终端设备可以休眠。目前,ZigBee 网络在数据传输方面存在的主要问题是动态组网和动态路由。ZigBee 网络的节点不是静态的,而是实时动态变化的,网络中的每个节点被分隔一定的时间,需要通过无线信号交换重新组网。每次将信息从一个节点发送到另一个节点时,都将重新扫描各种可能的路径,选择从最短路径开始2-3。文章选用不同节点的2第 22 卷广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报
6、ZigBee 网络来探索在节点数量和传输数量增加情况下,带宽资源占用和数据传输时延情况。1 CSMA/CA 协议分析1.1 IEEE802.11MAC 层结构在无线局域网中,大多数的无线电收发装置工作在半双工模式,无法在发送和接受数据的过程中进行信号监听,加之无线带宽本就不高,如果站点在发送数据时检测到冲突,则需要重新发送数据,这样将降低网络吞吐量,增加网络时延。为 此,IEEE802.11 的 MAC 层 采 用 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,载波监听多路访问/冲突避免)机制4,层结构如图 1 所
7、示。图 1 IEEE802.11MAC 层结构无竞争服务(选用)竞争服务(必须实现)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)分布协调功能 DCF(Distributed Cooraination Function)(CSMA/CA)物理层MAC 层竞争周期(Contention Period),此时开始转换为分散式协调功能模式,一直到下一个 PCF 的工作开始。在标准 PCF 中,一次 CF-POLL 只会反馈一个数据帧。只有在启用 APSD(Automatic Power Save Delivery)的设计下,才会使用其他的请求方式(Trigger Fra
8、me),一次请求后,反馈多个数据帧。(2)分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)。DCF 采用 CSMA/CA 媒体接入方法,在这种方式下,需发送数据的节点监听到信道正在被使用时就等待,直到信道空闲。一旦媒体空闲,节点就再等待一个设定的时间 DIFS(DIF Interframe Space,分 布 式 协 调 帧 间 隔 时 间)。DCF 是基于竞争的接入方法,所有的节点竞争接入媒体,而 CF 是无竞争的,节点可以被分配在特定的时间单独使用媒体5-6。1.2 CSMA/CA 协议机制802.11 标准的出发点就是尽量避免碰撞,所有站点在完成
9、帧的发送后,必须等待一段很短的时间后才能发送下一帧,这段时间称为 IFS(Interframe Space,帧传输之间的时间)。IFS 的间隔取决于该站点发送的帧类型7。SIFS(Short Interframe Space,短帧间间隔)是最短的帧间间隔,用来分隔一次对话的各帧。PIFS(PCF帧间间隔)的长度是 SIFS 加一个时隙时间(Slot Tme)的长度,在 PCF 方式下使用。DIFS(DCF帧间间隔)的长度比 PIFS 多一个时隙长度,是最长的帧间间隔,在 DCF 方式下使用7-8。以两个站点 STA1 和 STA2 为例简述 CSMA/CA 的过程,如图 2 所示。(1)点 协
10、 调 功 能 PCF(Point Coordination Function)。在 PCF 中,PC 根据轮询表(Polling List)的 顺 序,按 照 升 序 方 式 依 次 对 节 点 进行轮询。在这种模式下,集中协调者(Point Coordinator,主控信息传递设备)以一个特定的管理信标(Beacon Frame)告知其他工作站开始PCF 工作,当此功能结束时,将紧接着产生一个DIFSPIFSSIFS发送第一帧SIFS有帧要发送源站目的站其他站有帧要发送推迟接入NVA(媒体忙)等待重试时间发送下一帧时间时间时间争用窗口SIFSPIFSDIFSACK媒体空闲图 2 CSMA/C
11、A 协议帧间间隔作用3第 3 期刘清华:ZigBee 网络 CSMA/CA 协议及典型网络拓扑性能仿真分析(1)当 STA 1 与 STA 2 需要在竞争信道进行数据传递时,两者先“等待”一个 DIFS 时间,如此时信道空闲,那么就采取 Backoff(随机回退过程)方式。(2)若 STA 1 与 STA 2 进入 Backoff 过程,首先需要从竞争窗口(Contention Window)选择一个随机数0,31。(3)在 Backoff 过 程 中,每 经 过 一 个 由动 态 时 隙 分 配 算 法(Dynamic Slot Allocation Algorithm)产生的时隙时间(Sl
12、ot Time),STA会“监听”一次信道,若信道空闲时随机回退计数器值则减去 1,一直到减至 0 时,STA 获得信道,可以发送数据。(4)在 AP 接 收 到 数 据 后,将 采 用 CRC(Cyclic Redundancy Check,即循环冗余校验)机制对数据进行校验,若通过,则 AP 会在 SIFS后反馈 ACK 确认帧。(5)当 STA 成功发送完数据,“等待”SIFS的时间之后,AP会向节点反馈ACK(Acknowledge Character)确认帧。当 STA 成功接收到 ACK 帧之后,本次传输完成。(6)传输完成后,该 STA 需再次“等待”DIFS 的时间,然后重新开
13、始 Backoff 过程。(7)再次Backoff时,若STA刚发送完数据,那么在 Backoff 过程开始时,需要从竞争窗口中再次选择一个随机数进行倒数;若 STA 没有发送数据,那么直接从上一次的倒数结果继续倒数。STA一直循环以上过程,直至数据发送完毕。1.3 MAC 层成帧效率分析帧(Frame)是 MAC 层的一个单元,其组成包括标志和字段两个部分,标志主要是标识帧的开始和结束,字段主要由地址字段、控制字段、正文字段和校验字段四个部分组成。MAC层一个很重要的功能就是成帧,成帧的方法主要有三个:字符计数法、字符填充的首尾界定法和比特填充的首尾界定法9-10。用表示成帧效率,其值等于
14、1 帧中用户数据的传输时间与 1 帧的传输时间之比。即:=用户数据的传输时间/1 帧的传输时间。IEEE802.15.4 的 物 理 帧 由 前 同 步 信 号(SYNC)、帧起始界定符(SFD)、帧长度(Frame Length)和 负 载(MPDU)四 部 分 组 成8,如图 3 所示。MPDU 的长度不会超过 127 比特,物理帧长度的最大值为 133 比特,记为802.15.4 标准每帧中用户数据的最大比特数,则=118 比特。IEEE802.15.4 标准的 MAC 层成帧效率计算如式(1)所示:(1)由此而见,传输数据较小时,IEEE802.15.4标准的成帧效率是较高的。2 三种
15、典型网络性能仿真OPNET 是一款网络仿真软件,可以在建设网络、开展网络业务前对所采取的技术、承载的业务等进行综合分析和评估,提出性价比最优的网络解决方案,也可以在构建新网络、升级现有网络时对网络的可靠性、有效性进行客观评估,从而降低网络建设的投资风险,提高网络的设计性能。OPNET Modeler 具有三层建模机制、离散事件驱动、完备的模型库、基于数据包的通信等特点11-12。使用 OPNET 仿真平台来模拟 ZigBee 网络三种典型网络拓扑:星型(Star)、簇型(Cluster)和网状型(Mesh),分析三种网络拓扑结构基于CSMA/CA 协议机制的吞吐量性能。2.1 搭建仿真场景仿真
16、场景的搭建包括两个方面:网络拓扑的布设和节点的设置。(1)网 络 拓 扑 的 布 设。搭 建 长*宽 为 700 m*700 m 的仿真环境,分别设置星型、簇型和网状型网络拓扑,仿真时间为 180 s,数据包大小为 1 024 bit,仿真种子数量为 128,更新间隔为 500 000 events。(2)节点的设置。组建一个完整的 ZigBee网络一般分为两个步骤,第一步是协调器节点初始化网络;第二步是路由器节点、终端节点申请加入该 ZigBee 网络,加入的方式有两种,一种是通过协调器节点加入,另一种是通过已有的父节点直接加入。SYNC411SFD8 位字节(Octets):Frame L
17、engthMPDU5+(420)+nFCSDataAddressSeqFrameControl图 3 IEEE802.15.4 标准的物理帧格式4第 22 卷广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报ZigBee 网络节点数分别为 8、16、32 数目时的吞吐量。星型拓扑中,仿真时间 20 s 以后,网络吞吐量大幅度提升,一直到180 s时趋于稳定,8、16、32 节点的吞吐量大致相同,接近 1 000 bits/sec。星型网络中的 EndDevice 节点都集中向 Coordinator 节点发送数据包,没有经过中间路由转发,网络吞吐量随节点的增加影响较小,相对其它两种拓扑,其总吞吐量
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