方濤濤, 馬小軍

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 211816)

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基于OPNET的智能家居網(wǎng)絡(luò)仿真及性能分析

方濤濤, 馬小軍

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 211816)

結(jié)合普通民用住宅,介紹了基于OPNET的智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。利用OPNET軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,對(duì)比了網(wǎng)絡(luò)的延遲、吞吐量、丟包率等重要網(wǎng)絡(luò)指標(biāo),再根據(jù)分析結(jié)果選出智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)智能家居的優(yōu)化具有參考意義。

智能家居; 無(wú)線網(wǎng)絡(luò); OPNET軟件; 仿真分析

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,智能家居系統(tǒng)在家務(wù)方面可提供各種智能控制方案,讓家庭主人在處理家務(wù)方面既快捷,又省力。ZigBee技術(shù)在智能家居中應(yīng)用廣泛,具有抗干擾力強(qiáng)、保密性好、傳輸速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)、組網(wǎng)容易、自恢復(fù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因此便于在智能家居中進(jìn)行擴(kuò)展,增加新設(shè)備[1-2]。

合理的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)讓ZigBee網(wǎng)絡(luò)的重要性能得以提高,同時(shí)對(duì)智能家居系統(tǒng)的提升有重要作用。

1 OPNET Modeler概述

在OPNET所有產(chǎn)品中,Modeler幾乎包含其他產(chǎn)品的功能,可以用于通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的仿真,為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員提供了仿真分析的集成環(huán)境,減少了編程和數(shù)據(jù)分析的工作量[3]。

Modeler采用進(jìn)程模型、節(jié)點(diǎn)模型、網(wǎng)絡(luò)模型三層建模機(jī)制。進(jìn)程模型使用狀態(tài)機(jī)描述協(xié)議,狀態(tài)及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換用C/C++語(yǔ)言描述。節(jié)點(diǎn)模型由多個(gè)協(xié)議模型組成,使得節(jié)點(diǎn)更能模擬設(shè)備的特性。網(wǎng)絡(luò)模型由多個(gè)節(jié)點(diǎn)模型組成,通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)屬性,可以精確地模擬網(wǎng)絡(luò)的所有特征。

OPNET Modeler仿真過(guò)程步驟簡(jiǎn)單,大致分為拓?fù)湓O(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)設(shè)定、統(tǒng)計(jì)量確定、仿真、調(diào)試后再仿真、發(fā)布結(jié)果等6步。

2 智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 主要性能指標(biāo)

智能家居網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性非常重要,因此有必要對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析評(píng)估。本文主要從ZigBee網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、吞吐量、誤碼率3個(gè)重要指標(biāo)方面進(jìn)行分析。

(1) 網(wǎng)絡(luò)延遲。網(wǎng)絡(luò)延遲是數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)再返回源節(jié)點(diǎn)傳輸所用的時(shí)間,包括在傳輸介質(zhì)中傳輸?shù)臅r(shí)間和在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中等待、處理的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)延遲是評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。不同的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲的要求也不同,如語(yǔ)音和視頻對(duì)延遲的要求非常高,而Web服務(wù)相對(duì)較低。在實(shí)際情況中,網(wǎng)絡(luò)延遲并不是固定不變的。目前,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包多采用分組交換,數(shù)據(jù)往返鏈路有可能不同,因此直接影響網(wǎng)絡(luò)延遲的統(tǒng)計(jì)。

(2) 吞吐量。吞吐量是指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或端口單位時(shí)間內(nèi)成功接收并轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量,是網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)體系中的重要指標(biāo)。

(3) 誤碼率。誤碼率是通信系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo),是指錯(cuò)誤碼元數(shù)與傳輸總碼元數(shù)之比。一般誤碼率越低,通信系統(tǒng)的可靠性越高,網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定。不同的應(yīng)用對(duì)誤碼率的要求也不同。在無(wú)線通信中,由于噪聲、多徑、干擾和移動(dòng)終端漫游等影響,在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需特別重視誤碼特性指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集。

2.2 智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在普通民用住宅房間(長(zhǎng)、寬均為10 m)中進(jìn)行智能家居設(shè)計(jì),內(nèi)部有15個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。本文主要研究智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響[4]。

2.2.1 星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)是指各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以星形方式連接成網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)有中央節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)(移動(dòng)端、服務(wù)器)都與中央節(jié)點(diǎn)直接相連。該結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點(diǎn)為中心,因此又稱為集中式網(wǎng)絡(luò)，便于集中控制,網(wǎng)絡(luò)的延遲、誤碼率低,但是對(duì)中心設(shè)備的要求極高,所有數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)中心設(shè)備處理轉(zhuǎn)發(fā),如果中心設(shè)備崩潰,則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。OPNET軟件設(shè)計(jì)的星形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OPNET軟件設(shè)計(jì)的星形結(jié)構(gòu)

2.2.2 樹(shù)形結(jié)構(gòu)

樹(shù)形結(jié)構(gòu)是一種分級(jí)的集中控制式網(wǎng)絡(luò),可以包含多個(gè)分支,每個(gè)分支又可以包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)。目前,大部分網(wǎng)絡(luò)都采用該結(jié)構(gòu)。因其擴(kuò)展性好,易于查找路徑。不足是干路任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障都會(huì)影響整個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)。OPNET軟件設(shè)計(jì)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OPNET軟件設(shè)計(jì)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)

2.2.3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境劃分成許多以正六邊形為基本幾何圖形的覆蓋區(qū)域,配合頻率復(fù)用技術(shù),為解決頻率資源緊缺和用戶問(wèn)題提供有效手段。采用這種方式可以布置更少的接入點(diǎn),以降低成本。OPNET軟件設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 OPNET軟件設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)延遲仿真比較如圖4所示。由圖4可見(jiàn),星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延遲約為0.1 s,網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延時(shí)約為0.03 s,樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延遲約為0.04 s。從延遲角度來(lái)看,網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最優(yōu)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)延遲仿真比較

吞吐量仿真比較如圖5所示。

圖5 吞吐量仿真比較

由圖5可見(jiàn),星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平均吞吐量約為18 000 b/s,網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平均吞吐量約為20 000 b/s,樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)平均吞吐量約為16 000 b/s。從吞吐角度來(lái)看,網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最優(yōu)。

丟包仿真比較如圖6所示。

圖6 丟包仿真比較

由圖6可見(jiàn),星形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的丟包率明顯小于樹(shù)形結(jié)構(gòu)的丟包率。

綜上所述,設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、吞吐量、丟包率網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)來(lái)看,網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最合適。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用OPNET對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模及仿真,對(duì)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延遲、吞吐量、丟包率等重要指標(biāo)進(jìn)行了分析,再根據(jù)分析結(jié)果選擇最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)智能家居的優(yōu)化有一定參考價(jià)值。

[1] 吳敏飛.基于OPNET的校園網(wǎng)設(shè)計(jì)建模與仿真分析[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2014.

[2] 陳敏.OPNET物聯(lián)網(wǎng)仿真[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2014.

[3] 孫屹.OPNET通信仿真開(kāi)發(fā)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[4] 費(fèi)娟,許昌杰.基于OPNET的高校WLAN部署[J].通信技術(shù),2012,45(12):57-62.

Network Simulation and Analysis of Smart Household Based on OPNET

FANG Taotao, MA Xiaojun

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Combined with a general housing,this paper introduced the network design of smart household based on OPNET software.By using OPNET softare,ZigBee network topology structures were simulated.The important indicators including delay,throughput,packet loss rate,were compared.According the analysis results,the most suitable net topology of ZigBee network was selected.It has reference significance on optimization of smart home.

smart household; wireless network; OPNET software; simulation analysis

馬小軍(1956—),男,教授,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>

方濤濤(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>

TU 855

B

1674-8417(2016)12-0001-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.12.001

2016-09-26