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1、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
2、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 日目录摘要IABSTRACTII1 绪论31.1 选题背景31.2 Zigbee技术国内外研究概况32 ZigBee技术及其应用52.1 ZigBee无线技术的简单介绍52.2 ZigBee技术的特点72.2 ZigBee技术的优势
3、82.3 ZigBee技术的应用93 ZigBee网络层113.1 网络层的功能113.2 网络新建113.3 设备加入网络123.4 设备退出网络143.5 网络报文的发送与接收143.6 网络的漫游164 OPNET网络仿真174.1 OPNET简介174.2 OPNET仿真步骤174.3 OPNET仿真建模方法185 仿真实现及结果分析205.1 仿真目标205.3 仿真模型搭建205.4 仿真模型的配置225.4 仿真及结果分析265.5 结论29结束语30致谢31参考文献32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
4、、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
5、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BASED ON OPNET ZIGBEE NETWORK WIRELESS ROAMING PERFORMANCEABSTRACTZigBee technology is a short-range, low complexity, low power, low data rate, low-cost two-way wireless communications technology, or wireless network tec
6、hnology, is approved by a group based on the IEEE 802.15.4 wireless standard developed by the relevant network, security and application software technology, mainly for small business to carry data traffic can be embedded in a variety of devices, while supporting the geographic targeting.This paper
7、describes the architecture and features of ZigBee technology to an in-depth understanding and research, focusing on the network layer of the ZigBee network through the use of the OPNET simulation software simulation and analysis of the ZigBee network wireless roaming based on OPNET ZigBee network wi
8、reless roaming performance,in order to improve the value of the ZigBee network in practical applications.ZigBee technology continues to improve, it has low power, low cost, easy to use, a significant technical advantage, its target market is industrial, household and medical needs of low-power, low-
9、cost wireless communication applications. For a variety of wireless communications technology, ZigBee technology is the lowest power consumption and cost. Has broad application prospects.KEY WORDSZigBee technology， network layer，OPNET， wireless roaming1 绪论1.1 选题背景 过去若干年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中
10、的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等迫切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准l。 随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网(WLAN)、蓝牙(Blue-Tooth)技术、无线保真(WiFi)、超宽带(UWB)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注2。ZigBee作为一种新兴的短距离
11、无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-RateWireless Personal Area Network)的发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。预计随着Zigbee技术以及相关技术的发展，低速率应用将日益广泛，在我们的生活中扮演越来越重要的角色3。 ZigBee的提出弥补了短距离无线通信技术应用研究的空白，现在该技术已经成为研究的新热点，在不久的未来，基于ZigBee技术的产品将会形成一个新的浪潮，势不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落，给
12、人们的生活带来方便和快捷4。研究Zigbee组网技术，可为下一步应用打下良好理论基础，方便进行系统设计。本文将结合当今的发展趋势和ZigBee的技术特点，对ZigBee做详细的研究和实验开发。1.2 Zigbee技术国内外研究概况 国外对ZigBee技术的研究起步较早，研究也较成熟。ZigBee联盟成立于2002年8月，为了推动ZigBee技术的发展，Chaddrcon、Ember、FreeScale、Honeywll、Motorala、Philaddrs和Sansung等公司共同成立了ZigBee联盟，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多IC设计、家电、通讯节
13、点、ADDR服务提供、玩具等厂商，目前该联盟已经包含了150多家会员。并且还有许多厂商已将ZigBee纳入产品中5。 国内ZigBee的研究起步较晚，国内ZigBee模块生产厂家一般都受芯片厂家数量等限制价格，国内市场主要由国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研制的ZigBee产品，只有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志。到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将Zigbee技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。不过随着无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术应用方面的研究。特别是与我们日常生活息息相关的
14、近距离无线组网技术的研究和应用，如中科院计算所的宁波分所就在专门从事无线技术的研究，主要侧重于无线网络化智能传感器，计算所自行开发可低功耗的CPU、多点网络动态组网拓补协议、网络节点管理软件、无线网络化智能传感器操作系统。国内的一些大学，如浙江大学、山东大学、清华大学等6也在搞ZigBee组网和应用的研究，利用国外厂商的开发平台和芯片建立ZigBee网络，并应用于智能家居，无线抄表和物流管理方面。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产ZigBee和其他无线产品投入市场。2 ZigBee技术及其应用2.1 ZigBee无线技术的简单介绍 2.1.1 ZigBee概述 ZigBee技术是一种近
15、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。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。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。其中，物理层（又称实体层）、MAC层、数据链接层，以及传输过程中的资料加密机制等都是由IEEE所主导的。网络层和应用支持层则由ZigB
16、ee联盟来完成。2.1.2 ZigBee协议层 如图1-1所示为ZigBee的协议层，各层次的作用如下：图11 ZigBee协议层 a) 物理层：遵循IEEE 802.15.4协议，是协议的最底层，承担着与外界直接作用的任务，控制RF收发器工作，采用扩频通信，信号传输距离为室内50m，室外150m。 b) MAC层：遵循IEEE 802.15.4协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模 3 式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地址寻址。 c) 数据链路层：又可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。IEEE
17、802.15.4的LLC子层与IEEE802.2的相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。 d) 网络层：建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。 e) 应用层：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，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
18、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
19、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20250kb/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-wh
20、en-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(RFD)。对全功能器件，要求它支持所
21、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。
22、(5)有效范围小：有效覆盖范围在1075m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
23、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1.52.5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。
24、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
25、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Z
26、igBee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。 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。3 ZigBee网络层 网络层
27、(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NW
28、K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
29、。在接收到上层新建一个网络的调用后，该设备首先在所指定的信道上扫描。如果上层已经确定了网络标识PAN ID，那么网络层将确保所给定的PAN ID不会与所选择信道的现有网络PAN ID参数产生冲突。若发现存在冲突，那么，如果有可能则从给定的信道中选择另外一个信道，在这个信道中，所给定的PAN ID不与信道中的其他网络冲突；如果选择不到合适的信道，则网络层发送错误标志。如果上层未指定PAN ID，则网络层在所选定的信道中选择与任何已存在网络不会冲突的PAN ID作为新建网络的标识。 一旦合适的信道和网络标识PAN ID确定后，网络层将选择0x0000作为16位的网络地址，并通知MAC层，设置为网络
30、地址。这样在指定信道上的网络就建好了，此时该网络中只有协调者自身一个节点。3.3 设备加入网络 设备加入网络功能就是通过与已加入网络的协调者或路由器设备建立连接来实现的。当设备与某一网络协调者或路由器连接后，将形成父子关系，前者为子设备，后者为父设备。设备与网络连接的方式有两种：一种是子设备主动与指定的PAN进行连接；另一种是子设备预先指定的父设备主动先将子设备加入到PAN中，而后子设备再通过孤立点方式加入到PAN中。下面对子设备主动加入网络的方式进行阐述。 当子设备接收到加入网络命令后，如果子设备已经同网络连接，则返回出错标志，否则尝试连接其POS范围内的网络协调者或路由器。具体加入PAN的
31、流程如图3-2所示。图3-2子设备连接的基本流程 首先，子设备要获取其POS范围内具有允许连接能力的网络协调者或路由器的地址信息。因而首先发送信标请求命令，其POS范围内具有允许连接能力的网络协调者或路由器接收到该命令后都会发送各自的信标帧；在这里采取时间最短的策略，子设备将加入最先接收到的信标所对应的PAN中。但若一段时间未接收到信标，则退出。 在获取了要加入的父设备信息后，子设备向父设备发送连接请求命令。父设备接收到连接命令后，检查当前资源是否能够再接收设备加入PAN中。若资源满足后，父设备将存储子设备地址，并为子设备分配16位的网络地址，同时生成连接响应命令帧，向连接请求子设备发送有未处
32、理数据的Ack应答帧；若资源不满足，则直接发送无未处理数据的Ack应答帧。 子设备在一段时间内等待接收来自父设备的Ack应答帧，接收到后判断父设备是否有本设备的未处理数据，若无或在指定时间内未接收到Ack应答帧则退出。当子设备判断父设备有未处理数据，则向父设备发送数据请求命令；父设备接收到该命令后，发送缓存的连接响应命令帧；子设备接收到后，更新其设备网络地址、PAN ID、父设备地址信息等参数。此时子设备就完成了加入PAN的整个过程。3.4 设备退出网络 对于已连接网络的设备主要有两种从网络中断开连接的方式：子设备自身主动要求断开连接；父设备要求某一子设备从网络中断开连接。 子设备自身主动要求
33、断开连接。子设备首先检查自身是否已经加入网络，并且父设备是否与要断开连接的对象相同；接着子设备组织断开连接请求命令帧，并发送给父设备；注意按照ZigBee协议规定，子设备在发送了断开连接请求命令后，无论父设备是否做出断开连接响应，子设备均将其父设备信息清空，表示子设备已经从网络中退出；当父设备成功接收到断开连接请求命令时，在其邻居表中检查是否存在该子设备，若存在则将该子设备从邻居表中移除。父设备要求某一子设备从网络中断开连接。父设备首先检查要断开连接的对象是否在其邻居表中，若在则生成断开连接请求命令帧，并发送给指定子设备；与子设备主动要求断开连接一样，无论父设备是否收到子设备的应答，都将该子设
34、备从邻居表中移除；当子设备成功接收到断开连接命令后，将父设备信息清空。3.5 网络报文的发送与接收 (l)网络报文的发送 网络报文的发送相对比较简单：首先，根据不同的报文类型封装相应的网络报文，其中报文的源地址为本设备网络地址，目的地址为最终的目的设备网络地址；再调用MAC层数据帧的封装函数组织MAC数据帧，其中数据帧的源地址为本设备地址，而目的地址是通过相应的路由算法计算出来的下一跳节点的地址信息：帧组织好后，将该数据帧发送给下一跳节点，由下一跳节点来负责接收、转发。 (2)网络报文的接收MAC层成功接收到数据帧后，将去除帧头、帧尾域，剩下数据载荷域作为网络报文传递给网络层。网络层接收报文的
35、处理流程如图3-3所示。3-3接收处理报文流程 当网络层成功接收到网络报文后，首先根据报文头域检查是否为合法的网络报文，主要检查报文类型是否合法：若不是数据报文或三种类型的命令报文，则对该报文进行报文出错处理。 当为合法的命令报文时，取得具体的命令类型，并根据不同的命令进行相应的命令处理、应答。当为合法的数据报文时，由于网络终端设备没有路由转发功能，因此设备类型不同，处理也不尽相同。对于自身是网络终端设备时，根据报文的目的地址域检查该数据报文是否属于自己的，若是，则将报文载荷域传递给上层，供上层处理：否则，丢弃该数据报文。对于具有路由转发能力的网络协调者或路由器设备，若不是自己的数据报文，根据
36、报文的目的地址和路由算法计算下一跳节点的地址信息，再调用MAC层程序接口将该数据报文转发给下一跳节点；若是自己的数据报文同样将报文载荷域传递给上层协议，由上层来进一步处理。3.6 网络的漫游AP是(Wireless) Access Point的缩写，即(无线)访问接入点。如果无线网卡可比作有线网络中的以太网卡，那么AP就是传统有线网络中的HUB，也是目前组建小型无线局域网时最常用的设备。AP相当于一个连接有线网和无线网的桥梁，其主要作用是将各个无线网络客户端连接到一起，然后将无线网络接入以太网(这正是Access Point名称的本义)。 当网络环境存在多个AP，且它们的微单元互相有一定范围的
37、重合时，无线用户可以在整个网络覆盖区内移动，无线网卡能够自动发现附近信号强度最大的AP，并通过这个AP收发数据，保持不间断的网络连接，这就称为无线漫游。要想成功实现网络的无线漫游，除了网络建设外，能够保证在整个网络覆盖区域都具有良好服务质量的测试测量系统也十分关键。 4 OPNET网络仿真4.1 OPNET简介OPNET最早是在1986年由麻省理工大学的两个博士创建的，并发现网络模拟非常有价值，因此于1987年建立了商业化的OPNET。目前共有大概2700个OPNET用户，包括企业、网络运营商、仪器配备厂商，以及军事、教育、银行、保险等领域。OPNET近几年赢得的大量奖项是对其在网络仿真中所采
38、用的精确模拟方式及其呈现结果的充分肯定。在设备制造领域，企业界如Cisco，运营商如AT&T，采用OPNET做各种各样的模拟和调试。在国防领域，主要被美国广泛采用，其他国家大多低调处理。 OPNET软件包主要由三个模块组成：ITDecisionGuru是领先的网络和应用分析仿真工具，目标是优化网络性能，提高网络可用性；Modeler在ITDecisionGuru基础上增加了建库功能，可以帮助用户设计和分析网络、网络设备和通信协议；Modeler/Radio在Modeler基础上又增加了对移动通信和卫星通信的支持。这三个模块并非独立，而是层层嵌套的，并采用同一用户界面。这里主要介绍Modeler
39、的性能与仿真情况。 在OPNET各种产品中，Modeler几乎包含其他产品的功能，针对不同的领域，它表现出不同的用途：(1)对于企业网的模拟，Modeler调用已经建好的标准模型组网。在某些业务达不到服务质量要求的情况下，如网上交易、数据库等业务响应时间慢于正常情况，Modeler捕捉重要的流量进行分析，从业务、网络、服务器三方面找出瓶颈；(2)对于比企业网更复杂的运营商(ISP)网的模拟，Modeler焦点放在整个业务层、流量的模拟，使运营商有效查出业务配置中产生的错误，例如有哪个服务器配置不好，让黑客容易进攻，有哪些业务的参数配置不合适等情形；(3)针对研发的需求，Modeler提供了一个
40、开放的环境，使用户能够建立新的协议和配备，并且能够将细节定义并模拟出来。4.2 OPNET仿真步骤使用OPNET仿真步骤如图4-1所示，大体可以分为以下6个步骤： 1.配置网络拓扑； 2.配置业务 3.收集结果统计量 4.运行仿真 5.调试模块再次仿真 6.发布结果和拓扑报告 图4-1 Modeler仿真步骤 4.3 OPNET仿真建模方法 OPNET提供了高效而明晰的建模仿真工具，帮助用户完成整个建模仿真过程。大致可分为三个过程：网络模型的建立和配置、运行仿真和分析结果。 1.网络模型的建立和匹配 OPNET采用与真实网络一致的层次结构设计，采用三层建模机制，全面反映了网络的相关特性。 (1
41、) 进程建模：是建模机制的最底层。在此层次中，它会模拟单个对象的行为，使用有效状态机来描述协议。进程级对象，即模块，它通过状态转移图来描述模块的行为。 (2) 节点建模：互联进程级对象形成节点级的设备。每一个节点模型其实就是一个网络对象（链路除外）。它由一个或多个模块组成，每一个模块能够生成、发送或从别的模块接收数据包，以完成它在节点内的功能。(3) 网络建模：通过链路将设备互联形成网络级的网络。它需要对网络有正确的拓扑描述。在初始仿真时，首先要进行网络建模，通过网络编辑器提供的图形化界面，完成网络拓扑结构设计。用户可以利用OPNET提供的模型库等来配置自己的网络，也可以根据需要建立新的模型或
42、在已有效的模型基础上修改。网络模型建立好后，便可以进入节点编辑器，去定义网络中各节点的功能。节点是诸如路由器、交换机、工作站、服务器等设备，是通过在进程编辑器中对模块进行状态描述和编程来实现它的功能的。之后，便可以定义和配置想收集的统计量，等待运行仿真。 2.运行仿真 整个系统的仿真模拟环境建立好后，便可通过OPNET提供的仿真工具来运行仿真。OPNET利用它高效的仿真引擎、内存管理系统和集成化的调试环境，使它的仿真效率和速度堪称卓著。 3.分析结果 仿真结束后，便可利用OPNET集成的分析工具，以参数曲线的形式直观地显示仿真结果，加以分析。在仿真过程中和仿真完成后，OPNET可以用动画来描述
43、模型的行为。仿真结果也可以输出到电子表格中，大大简化了图形的绘制和对时间序列的分析。通过对仿真结果的分析，为网络的设计优化提供了强有力的依据。7895 仿真实现及结果分析5.1 仿真目标本次仿真主要是研究在ZigBee网络中，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在经过子网PAN 1、PAN 2、PAN 3时的网络数据和流量，更好地掌握研究ZigBee网络无线漫游的性能。5.3 仿真模型搭建运用OPNET网络仿真创建zigbee网络无线漫游模型，如图5-2所示：图5-2 ZigBee网络无线漫游模型在这个场景中，我们设计了三个子网，分别为PAN
44、 1、PAN 2、PAN 3。在每个子网中都包含了ZigBee网络中的三种不同类型的节点。其中每个PAN中都含有一个协调器(Coordinator)、两个路由节点( Router)和两个终端节点(End Device)。为了更加清楚了解zigbee网络模型，我们有必要先来熟悉一下zigbee的各种不同类型的节点。为了保证功能的完整性，同时出于减少功耗的考虑，IEEE 802.15.4定义了以下两种设备10：1)全功能设备(Full-Function Device，FFD)2)简化功能设备(Reduced-Function Device，RFD)其中全功能设备可以与简化功能设备或者其它全功能设备
45、通信，而简化功能设备只能和全功能设备通信FFD不仅可以发送和接收数据，还具备路由器的功能。RFD只负责将采集到的数据发送给对其进行管理的FFD，由该FFD代替其进行数据转发、路由选择等功能。简化功能设备是为非常简单的应用而设计的，不需要发送大量的数据，并且一次都只能关联到一个全功能设备。因此，简化功能设备只消耗很少的资源和存储开销。ZigBee标准在IEEE 802.15.4设备规范的基础上，从网络层传输、管理的角度出发，定义了以下三种设备11 12;1) ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)2) ZigBee路由器(ZigBee Router)3) ZigBee终端设备
46、(ZigBee End Device)。ZigBee协调器，即IEEE 802.15.4定义的个域网协调器，可以看作是一个无线传感器网络的汇聚节点，是网络建立的起点，负责ZigBee网络的初始化，确定网络唯一的标识符(PAN Identifier)，以及网络工作的物理信道；同时，统筹并分配网络节点16位短地址。ZigBee协调器必须是全功能设备，并且一个ZigBee网络有且只有一个ZigBee协调器。ZigBee路由器是一个全功能设备，在接入网络后，它能获得由ZigBee协调器分配的一定的16位短地址空间。在其通讯范围内，无需ZigBee协调器的指导，它便可以允许其它节点直接加入或者离开网络，为节点分配16位短地址，并在节点退出后将地址收回，同时负责网络内部各种数据分组的路由转发。ZigBee终端设备，一般是简化功能设备，但也可以由全功能设备来充当。ZigBee终端设备只能与为其分配16位短地址的的父节点通信，从父节点处获得信息。图5-15.4 仿真模型
