摘 要： 为了评估和优化ZigBee网络性能，使用OPNET仿真软件仿真分析了ZigBee协议中的确认机制对ZigBee网络性能的影响。仿真结果表明，确认机制在不同的拓扑结构（树状或网状）和传感网状态（固定或移动）下，对网络的性能有不同的影响。在端到端的延迟和吞吐量方面，有针对性的使用确认机制能够给ZigBee网络提供更好的性能。
关键词： ZigBee；确认；网状；树状
0 引言
近年来，ZigBee[1]无线传感网络逐渐渗透到人们的日常生活和工作中，已在许多领域得以应用（如医疗、安全、工业、军事、地质等）。而另一方面，无线传感器的各种应用需要满足不同的条件，如可靠/不可靠的数据传输或固定/移动传感器网络状态，因此，需要设备采用不同的机制来支持这些传感器，以确保数据包的正确传送。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的一种无线传感网通信协议[2]。反映ZigBee网络性能的因素有很多，如网络吞吐量、端到端的时延和抖动性等。确认（ACK）机制是一个用来提高ZigBee系统性能的可选功能，这种机制是接收端在接收到有效数据包后，在MAC层使用一种特殊类型的小尺寸的帧发送给发送端做出确认，若收不到确认帧，发送端将重传数据，以此提高ZigBee数据传输的可靠性。
在评估ZigBee系统性能方面，参考文献[3]提出对固定网络状态下小型树状拓扑结构进行性能评估，该树状拓扑结构由支持确认机制的四个无线传感器和一个协调器组成。参考文献 [4]中使用OPNET对支持确认机制的有部分节点移动的网络状态下3种拓扑结构——星型、树状和网状进行了分析比较，得出树状网络吞吐量最高但时延最大的结论。参考文献[5]使用网络模拟器（NS-2）对移动网络状态中网状与树状拓扑结构下的ZigBee网络进行了探讨。参考文献[6]在OPNET版本14.5上模拟了ZigBee系统，研究了星型、树状和网状拓扑结构下不同数量的移动节点对ZigBee系统的性能的影响。研究结果表明，树状结构在吞吐量方面可以提供更好的性能，并且该结构下随着移动节点数量的增多，端到端的时延逐渐减小，但依旧没有提到确认机制对系统性能的影响。
本文利用仿真软件OPNET对ZigBee协议中的确认机制在不同网络拓扑结构和不同传感网状态下对系统性能的影响做了详细的分析比较，为进一步合理地配置ZigBee网络提供了参考。
1 ZigBee相关技术概述
1.1 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4的短距离、低功耗的无线通信技术，它应用简单、成本低，电池寿命长[7]。
ZigBee网络中有三种类型的节点：协调器、路由器和终端设备[8]。从性能角度讲，协调器是ZigBee的顶级设备，每个ZigBee网络中有且只能有一个协调器，用来负责启动、维护网络，可为新加入的网络节点分配16位短地址等。路由器是ZigBee的第二级设备，它可发送和接收数据，也可作为中间设备工作，具有路由转发功能，同时也辅助其他节点加入网络。终端设备是ZigBee最低一级的设备，位于网络的边缘，只具有采集和发送信息的功能，不具有路由转发功能。
这三种类型的ZigBee设备可以组成三种不同的网络拓扑结构：星型、树状和网状[9]，如图1所示。
星型结构是最简单的一种网络拓扑结构，它由一个协调器和多个终端节点组成，终端直接和协调器通信，没有路由节点，终端节点之间不能直接通信，要通过协调器来转发。
树状结构是在星型结构上的进一步拓展，处于网络最边缘的设备被称为“叶”节点，多个叶节点连接在一个全功能的FFD设备形成“簇”，若干个“簇”连接在一起就形成了“树”。这种树簇形结构扩大了网络范围，可用于一些监测节点分布范围比较大的应用场合。
而网状拓扑结构是在树状结构的基础上实现的，它将网络中具有路由功能的节点直接连接在一起，使得网络中的任何一个设备都可以与网络范围内的其他设备通信。
1.2 确认机制及ACK的帧结构
确认机制是ZigBee通信时为增加数据传输可靠性而使用的一种机制[10]。如果发送端给接收端发送数据包时帧控制域设置请求确认，那么接收端在正确接收到数据包后，就会生成并发送一个确认帧通知发送端设备数据接收完成，否则，发送端就不会收到确认帧，就会重新发送数据包。
ZigBee的数据传输模式有3种，因此确认机制也相应地分为3种情况。如图2所示，其中从设备是指路由或者终端节点。第一种是数据传输从协调器向终端节点或者路由节点，第二种是数据传输从路由或者终端节点向协调器，第三种是终端节点和路由节点之间的传输。
第一种情况下，从设备会首先通过MAC指令向协调器发送数据请求命令，如果协调器中有该设备的未处理数据，协调器就会先发送一个确认帧给从设备，然后再发送数据，从设备在收到数据后，再发送一个确认帧给协调器表明数据处理任务已完成。第二种情况下，从设备传输数据给协调器，并向协调器请求确认，然后协调器在接收到数据包后会发送确认帧给发送端。第三种情况与第二种情况相似。这三种情况下，当数据是由从设备发往协调器时是否使用确认机制是可选择的。
确认帧位于MAC层，图3显示了在基于ZigBee的无线传感器中确认帧的结构。这是MAC层中最简单的结构，它只有MAC报头和MAC报尾，没有有效载荷。MAC报头由控制帧类型和被确认的帧的序列号组成，MAC报尾是用来进行错误检测的帧校验序列（FCS）。
2 仿真模型描述
本次对ZigBee网络的仿真是在OPNET建模版本 14.5的平台上实现的。设定的网络尺寸为200 m×200 m，网络包括14个节点，其中1个协调器、3个路由节点和10个终端节点。帧长度设置为1 024 B。帧发送给哪个节点是随机的。对于确认机制中的参数，设置每次确认帧等待的时间为0.05 s，重发的最大次数为5次。
对于移动状态下的ZigBee传感网，仿真期间，OPNET将会在无线传感器网络的范围内随机选择一个目标，然后节点会向其移动。需要注意的是，移动性被应用于无线传感器网络中除了协调器外的所有节点。也就是说，协调器总是固定的。该模型共包含了8种情况，如表1所示。
3 仿真结果与讨论
3.1 端到端延迟
端到端的延迟被定义为发送器发送准备好的数据包到接收器接收到该数据包的间隔时间。
3.1.1 网状拓扑结构下的确认机制对端到端延迟的影响
从图4中可以看出，在固定网络状态下，网络进入稳定状态后，有/无确认机制的两种情况下，端到端的延迟非常接近，而且延迟几近为常数。这是因为在固定网络状态下的网状拓扑结构中节点之间的距离都比较近，这时数据可以被平稳地传输与接收。
而在移动网络状态下，ZigBee网状拓扑结构中端到端延迟与不使用确认机制相比，使用确认机制的网络延迟增加了大约30%。ZigBee传感节点的移动可能会导致重新发送的ACK帧的数量增加，因此针对移动网络，使用确认机制会增加延迟。
3.1.2 树状拓扑结构下的确认机制对端到端延迟的影响
在树状拓扑结构中，无线传感器网络的延迟如图5所示。在固定网络状态下，通常采用确认机制的网络延迟会比不采用的更大。树状拓扑结构中，由于树中信息通往每一个分支时只有一条路由通道，且距离由传感器的位置决定，为了增加数据交换的可靠性，ACK帧的使用增加了更高的延迟。
在移动网络状态下，有/无确认机制延迟的数值大致相同。这种情况下的确认机制不增加额外的延迟，这是由于在移动网络状态下采用该机制的传感网会试图修复丢失的数据包。
3.2 吞吐量
图6反映了固定网络状态的ZigBee网在有/无确认机制的情况下树状和网状拓扑结构的吞吐量。可以观察到此时网状拓扑结构的吞吐量比树状结构的吞吐量大。这与在网状拓扑结构中存在很多数据包的路径而树状拓扑结构不存在有关。
图7展示了移动网络状态的ZigBee网在有/无确认机制的情况下树状和网状拓扑结构的吞吐量。此时树状拓扑结构的吞吐量比网状拓扑结构大。树状拓扑结构中采用确认机制的吞吐量比不采用减少12%左右；而网状拓扑结构中，采用确认机制的吞吐量比不采用增加17%。
4 结论
本文研究了ZigBee无线传感网中确认机制对其性能的影响，结果表明确认机制对不同拓扑结构和不同网络状态的无线传感网性能存在不同程度的影响，详细结果如下：固定的传感网状态下，采用确认机制时的性能与未采用确认机制时的性能相比，网状拓扑结构中的吞吐量降低了10%，延迟的数值大致相同；树状拓扑结构中的吞吐量增加了20%，延迟增加了23%。移动的传感网状态下，采用确认机制时的性能与未采用确认机制时的性能相比，网状拓扑结构中的吞吐量和端到端延迟均有增加；树状拓扑结构中吞吐量会减少12%，延迟的数值大致相同。因此，在具体的ZigBee网络应用中，应针对不同场合对系统性能的要求，选择合理有效的网络拓扑结构，以及确定是否采用确认机制。
参考文献
[1] 赵景宏，李英凡，许纯信.ZigBee技术简介[J].电力系统通信，2006，27（7）：54-56.
[2] 李皓.基于ZigBee的无线网络技术及应用[J].信息技术，2008，32（1）：12-14.
[3] MAHAJAN R， NAIR S. Performance evaluation of ZigBee protocol using OPNET modeler for mine safety[J]. International Journal of Computer Science and Network， 2013， 2（1）： 62-66.
[4] MIHAJLOV B， BOGDANOSKI M. Overview and analysis of the performances of ZigBee based wireless sensor networks[J]. International Journal of Computer Applications，2011，29（12）：28-35.
[5] CHEN L J， SUN T， LIANG N C. An evaluation study of mobility support in ZigBee networks[J]. Journal of Signal Processing System， 2008，59（1）：111-122.
[6] KAUR A， KAUR J， SINGH G. Simulation and investigation of Zigbee sensor network with mobility support[C]. IEEE International Advance Computing Conference，2014：176-181.
[7] FARAHANI S. ZigBee wireless networks and transceivers[M].America： Newnes， 2008：1-5.
[8] TORRES V. Analysis of topology considerations in indoor ZigBee meshed networks[C]. 2010 53rd IEEE International Midwest Symposium， 2010： 351- 354.
[9] 沈建潮.近距离无线通信技术及其应用[J].中国无线电，2006（8）：8-10.
[10] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：5-10.