Mesh路由算法仿真与性能分析.docx
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Mesh路由算法仿真与性能分析
郑州轻工业学院
本科毕业设计(论文)
题目Mesh路由算法仿真与性能分析
学生姓名**
专业班级信息工程08-1班
学号200807070133
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6月5日
郑州轻工业学院
毕业设计(论文)任务书
题目Mesh路由算法仿真与性能分析
专业信息工程学号200807070133姓名**
主要内容、基本要求、主要参考资料等:
.主要内容:
1.掌握opnet软件的使用方法
2.基于opnet的zigbee网络仿真过程及结果
3.mesh,tree性能对比
二.基本要求:
1.熟悉ZigBee技术
2.通过opnet实现路由算法仿真
三.主要参考资料:
1.有关zigbee技术的资料;
3.有关opnet软件的资料;
4.有关的资料;
完成期限:
2012年6月1日
指导教师签名:
专业负责人签名:
年月日
Mesh路由算法仿真与性能分析
目录
摘要…………………………………………………………………………
ABSTRCT…………………………………………………………….
第1章绪论………………………………………………………
1.1选题背景及研究意义…………………………………………
1.2本课题研究的主要内容……………………………
1.3论文的组织形式...........................
1.4小结.......................................
第2章ZigBee技术综述………………………………………………..
2.1ZigBee信道……………………………
2.1.1IEEE802.15.4频段………………………
2.1.2zigBee无线传感器网络系统……………………
2.1.3Z-Stack协议栈
2.2ZigBee网络………………………………
2.2.1ZigBee网络结构...........
2.2.2ZigBee所涉及无线通信技术)........
2.3设备类型(DeviceTypes)…………………………
2.3.1协调器(Coord1nator)节点功能说明………
2.3.2路由器(Router)节点功能说明……….
2.3.3终端(EndDe,1ce)RFD节点功能说明............
2.4zigBee拓扑结构........................
2.4.1星形结构……………………….
2.4.2树形结构…………………………
2.4.3网格(Mesh)形结构…………………
第3章OPNET软件介绍
3.1网络仿真概述
3.1.1网络仿真的概念及应用
3.2opnet仿真机制
3.2.1仿真调度机制
.3.2.2通信仿真机制
3.2.3基于包的通信机制
3.3OPNET的建模方法
第4章无线mesh网络………………………………………………..
4.1无线mesh网络的概述……………………………
4.2无线mesh网络的特点………………………………
4.3无线mesh网的应用
第5章仿真实验过程及结果………………………………………
5.1仿真目标………………………………………………..
5.2创建ZigBee网络的两个场景…………………………..
5.3场景属性配置………..5.4仿真结果及分析............................
5.5小结...............
第6章总结与展望………………………………………………………..
第一章绪论
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
ZigBee概念
ZigBee是一种无线网络技术标准。
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
它此前被称作“HomeRFLite”或“FireFly”无线技术,主要用于近距离无线连接。
它有自己的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。
最后,这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。
ZigBee基础是IEEE802.15.4,它是IEEE无线个人区域网(PersonalAreaNetwork,PAN)工作组的一项标准,被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。
ZigBee不只是802.15.4的名字。
因为IEEE802.15.4仅规范了低级MAC层和物理层协议,但ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
ZigBee完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。
每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。
ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
ZigBee联盟成立于2001年8月。
2002年下半年,英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布,它们将加盟“ZigBee联盟”,以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准,这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。
到目前为止,除了TI(德州仪器)、Invensys、Ember、三菱电子、摩托罗拉、飞思卡尔和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟已有200多家成员企业,并在迅速发展壮大。
其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等,例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司,甚至还有像Mattel之类的玩具公司。
所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。
1.2本课题研究的主要内容
1)对zigBee协议进行系统的学习,重点研究。
2)对opnet熟练掌握及使用
3)比较mesh与rounting
1.3论文的组织形式
第一章为绪论,主要介绍选题背景及研究意义以及课题的主要安排和内容安排。
第二章介绍Zigbee技术,主要包括:
zigbee信道,zigbee网络。
Zigbee拓扑结构并分别详细介绍原理。
第三章介绍opnet软件仿真机制,及其建模方法。
第四章介绍无线mesh网络
第五章仿真实验过程
第六章为工作总结与展望。
1.4小结
本章对课题的选题背景及研究意义进行了详细的介绍,并介绍了本文的主要研究内容和论文的组织结构。
第二章ZigBee技术综述
ZigBee信道
ZigBee是一种无线网络技术标准。
,ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
它此前被称作“HomeRFLite”或“FireFly”无线技术,主要用于近距离无线连接。
它有自己的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。
最后,这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。
2.1.1ZigBee基础是IEEE802.15.4,它是IEEE无线个人区域网(PersonalAreaNetwork,PAN)工作组的一项标准,被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。
ZigBee不只是802.15.4的名字。
因为IEEE802.15.4仅规范了低级MAC层和物理层协议,但ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
ZigBee完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。
每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。
ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
ZigBee联盟成立于2001年8月。
2002年下半年,英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布,它们将加盟“ZigBee联盟”,以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准,这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。
到目前为止,除了TI(德州仪器)、Invensys、Ember、三菱电子、摩托罗拉、飞思卡尔和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟已有200多家成员企业,并在迅速发展壮大。
其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等,例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司,甚至还有像Mattel之类的玩具公司。
所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。
2.1.2IEEE802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段,定义了两个工作频段,即2.4GHz频段
和868/915MHz频段。
在IEEE802.15.4中,总共分配了27个具有3种速率的信道:
在2.4GHz频段有16个速率为250kb/s的信道,在915MHz频段有10个40kb/s的信道,在868MHz频段有1个20kb/s的信道。
在无线龙提供ZigBee无线传感器网络系统及ZigBee开发系统统一中使用的2.4GHz频段。
这些信道的中心频率按如下定义(k为信道数):
2.1.3Z-Stack协议栈
在网络中,为了完成通信,必须使用多层上的多种协议。
这些协议按照层次顺序组合在一起,构成了协议栈(ProtocolStack)。
协议栈是指网络中各层协议的总和,一套协议的规范。
其形象的反映了一个网络中文件传输的过程:
由上层协议到底层协议,再由底层协议到上层协议。
使用最广泛的是互联网协议栈,由上到下的协议分别是:
应用层(HTTP,TELNET,DNS,EMAIL等),运输层(TCP,UDP),网络层(IP),链路层(Wi-Fi,以太网,令牌环,FDDI等)。
德州仪器(TI)宣布推出业界领先的ZigBee协议栈(Z-Stack)。
Z-Stack达到ZigBee测试机构德国莱茵集团(TUVRheinland)评定的ZigBee联盟参考平台(goldenunit)水平,目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用。
Z-Stack符合ZigBee2006/2007/PRO规范,支持多种平台,其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430/CC2530片上系统解决方案、基于CC2420/CC2520收发器的新平台以及TIMSP430超低功耗MCU。
除了全面符合ZigBee2006/2007规范以外,Z-Stack还支持丰富的新特性,如无线下载,可通过ZigBee网状网络(meshnetwork)无线下载节点更新。
Z-Stack还支持具备定位感知(locationawareness)特性的CC2431。
上述特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变行为的新型ZigBee应用。
Z-Stack协议栈定义通信硬件和软件在不同级如何协调工作。
在网络通信领域,在每个协议层的实体们通过对信息打包与对等实体通信。
在通信的发送方,用户需要传递的数据包按照从高层到低层的顺序依次通过各个协议层,每一层的实体按照最初预定消息格式向数据信息中加入自己的信息,比如每一层的头信息和校验等终抵达最低的物理层,变成数据位流,在物理连接间传递。
在通信的接收方数据包依次向上通过协议栈,每一层的实体能够根据预定的格式准确的提取需要在本层处理的数据信息,最终用户应用程序得到最终的数据信息进行处理。
ZigBee无线网络的实现,是建立在ZigBee协议栈的基础上的,协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立,每一层都提供一些服务,服务由协议定义,程序员只需关心与他的工作直接相关的那些层的协议,它们向高层提供服务,并由低层提供服务。
在ZigBee协议栈中,PHY、MAC层位于最低层,且与硬件相关;NWK、APS、APL层以及安全层建立在PHY和MAC层之上,并且完全与硬件无关。
分层的结构脉络清晰、一目了然,给设计和调试带来极大的方便。
整个Z-Stack采用分层的软件结构,硬件抽象层(HAL)提供各种硬件模块的驱动,包括定时器Timer,通用I/O口GPIO,通用异步收发传输器UART,模数转换ADC的应用程序接口API,提供各种服务的扩展集。
操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台,通过时间片轮转函数实现任务调度,提供多任务处理机制。
用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程,将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。
Z-Stack装载在一个基于IAR开发环境的工程里。
强大的IAREmbeddedWorkbench除了提供编译下载功能外,还可以结合编程器进行单步跟踪调试和监测片上寄存器、Flash数据等。
Z-Stack根据IEEE802.15.4和ZigBee标准分为以下几层:
API(ApplicationProgrammingInterface),HAL(HardwareAbstractLayer),MAC(MediaAccessControl),NWK(ZigbeeNetworkLayer),OSAL(OperatingSystemAbstractSystem),Security,Service,ZDO(ZigbeeDeviceObjects)。
使用IAR打开工程文件SampleApp.eww后,即可查看到整个协议栈从HAL层到APP层的文件夹分布。
该协议栈可以实现复杂的网络链接,在协调器节点中实现对路由表和绑定表的非易失性存储,因此网络具有一定的记忆功能。
2.2ZigBee网络
2.2.1ZigBee网络层(NWK)支持星型、树型和网状网络拓扑,如下图所示。
在星型拓扑中,网络由一个叫做ZigBee协调器的设备控制。
ZigBee协调器负责发起和维护网络中的设备,以及所有其它设备,称为终端设备,直接与ZigBee协调器通信。
在网状和树型拓扑中,ZigBee协调器负责启动网络,选择某些关键的网络参数,但是网络可以通过使用ZigBee路由器进行扩展。
在树型网络中,路由器使用一个分级路由策略在网络中传送数据和控制信息。
树型网络
可以使用IEEE802.15.4-2003规范中描述的以信标为导向的通信。
网状网络允许完全的点对
点通信。
网状网络中的ZigBee路由器不会定期发出IEEE802.15.4-2003信标。
ZigBee规范
仅描述了内部PAN网络,即通信开始和终止都是在同一个网络。
物联网的定义是:
通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感网络的定义是:
大规模,无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。
其中的节点是同构的、成本较低、体积较小,大部分节点不移动,被随意撒布在工作区域,求网络系统有尽可能长的工作时间。
在通信方式上,虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式,但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用,为明确起见,一般称无线传感器网络(WSN.WirelessSensorNetwork)。
Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
这一名称来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群中的通信网络。
其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。
主要合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
简而言之,ZigBee就是一种便宜的,功耗的近距离无线组网通讯技术。
2.2.2无线传感网络的无线通信技术可以采用ZigBee技术、蓝牙、Wi-Fi和红外等技术。
ZigBee技术是一种短距离、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IEEE802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的通信技术。
2.3设备类型(DeviceTypes)
在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型:
Coordinator(协调器),Router(路由器)和End-Device(终端设备)。
ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成。
上图是一个简单的ZigBee网络示意图。
其中红色节点为Coordinator,黄色节点为Router,绿色节点为End-Device。
2.3.1Coordinator(协调器)
协调器负责启动整个网络。
它也是网络的第一个设备。
协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PANID,即PersonalAreaNetworkID),随后启动整个网络。
协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。
注意,协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。
一旦这些都完成后,协调器的工作就像一个路由器(或者消失goaway)。
由于ZigBee网络本身的分布特性,因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。
2.3.2Router(路由器)
路由器的功能主要是:
允许其他设备加入网络,多跳路由和协助它自己的由电池供电的终端设备的通讯。
通常,路由器希望是一直处于活动状态,因此它必须使用主电源供电。
但是当使用树状网络拓扑结构时,允许路由间隔一定的周期操作一次,这样就可以使用电池给其供电。
2.3.3End-Device(终端设备)
终端设备没有特定的维持网络结构的责任,它可以睡眠或者唤醒,因此它可以可以是一个电池供电设备。
通常,终端设备对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。
协议栈规范由ZigBee联盟定义指定。
在同一个网络中的设备必须符合同一个协议栈规范(同一个网络中所有设备的协议栈规范必须一致)。
ZigBee联盟为ZigBee协议栈2007定义了2个规范:
ZigBee和ZigBeePRO。
所有的设备只要遵循该规范,即使在不同厂商买的不同设备同样可以形成网络。
如果应用开发者改变了规范,那么他的产品将不能与遵循ZigBee联盟定义规范的产品组成网络,也就是说该开发者开发的产品具有特殊性,我们称之为“关闭的网络”,也就是说它的设备只有在自己的产品中使用,不能与其他产品通信。
更改后的规范可以称之为“特定网络”规范。
2.4拓扑结构
ZigBee网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构,如下图所示,分别依次是星状网络,树(簇)状网络和网状网络。
星状网络由一个PAN协调器和多个终端设备组成,只存在PAN协调器与终端的通讯,终端设备间的通讯都需通过PAN协调器的转发。
树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成,设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外,其他只能通过树状路由完成消息传输。
网状网络是树状网络基础上实现的,与树状网络不同的是,它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连,由路由器中的路由表实现消息的网状路由。
该拓扑的优点是减少了消息延时,增强了可靠性,缺点是需要更多的存储空间开销。
第三章OPNET软件介绍
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。
3.1网络仿真概述
随着通信网络规模日趋庞大,新技术不断出现,网络应用同益复杂,网络的
性能也变得越来越不可预测,有效评估和研究网络技术、协议、性能成了迫切的
需求。
因此,越来越需要一种新的网络规划和设计手段来提高网络设计的客观性
和设计结果的可靠性,以便降低网络建设的投资风险。
由此,网络仿真技术应运
而生。
3.1.1网络仿真的概念及应用
网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型,模拟网络传
输流量,从而获得网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。
它具有全
新的模拟实验机理及在高度复杂的网络环境下得到高可信度结果的能力。
通过网
络仿真,可为优化和扩容现有网络提供定量的分析数据。
在进行新网络设计时,
网络仿真能根据服务等级协议进行网络预测,定量评估网络设计方案,特别适用
于大中型网络的设计。
在协议算法的研究上,网络仿真能够进行早期排错,缩短
研发过程。
总之,利用网络仿真软件进行网络设计、规划和研究已经是一门新兴
的行业。
网络仿真技术具备以下特点:
全新的模拟实验机理,使其具有在高度复杂的
网络环境下得到高可信度结果的特点;网络仿真的预测功能是其他任何方法都无
法比拟的;使用范围广,既可以用于现有网络的优化和扩容,也可以用于新网络
的设计,而且特别适用于中大型网络的设计和优化;初期应用成本不高,而且建
好的网络模型可以延续使用,后期投资还会不断下降。
(1)网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。
以往网络数据
是通过实际网络监测系统得到的,这些数据是在网络建设完成并运行
后得到的实际数据,需要对检测数据进行分析处理后才能得到结果,
事实上,此时要进行网络更改已经很困难了。
而网络仿真技术能够迅
速地建立起现有网络的模型,方便地修改模型并进行仿真,获取特定北京邮电大学硕士学位论文基于oPNET的路由协汉性能分析
网络的性能参数,这使得网络仿真非常适用于网络设计和规划。
(2)网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案的优劣。
即根
据设计方案建立模型,并模拟网络行为以获取定量的网络性能预测
数据,为方案的验证和比较提供可靠的依据。
这里所指的设计方案
可以是网络拓扑结构、路由设计、业务配置等。
(3)容量规划和服务等级协议的预测服务。
对于网络的规划和设计者而
言,容量规划是其必须考虑的问题,现有的网络何时需要扩容,网
络的哪一部分最需
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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