ZigBee 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和容量計(jì)算

1、ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，也稱(chēng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee聯(lián)盟預(yù)測(cè)主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、 汽車(chē)自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制等。ZigBee靈活的組網(wǎng)方式，可靠的網(wǎng)絡(luò)性能，大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)容量為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了巨 大的商機(jī)，因此設(shè)計(jì)ZigBee解決方案也成為一個(gè)熱點(diǎn)。這里就ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃和如何 計(jì)算節(jié)點(diǎn)容量展開(kāi)討論。ZigBee產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下方面：數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒-250KB /秒，專(zhuān)注于低傳輸應(yīng)用；功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用624個(gè)月；成本低：ZigBee數(shù)

2、據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本；網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備；時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延 為 15ms網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美 國(guó)新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一，各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性；工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí) 照（免費(fèi)）的頻段。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求和對(duì)ZigBee產(chǎn)品特性的深入了解，就可設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)。我 這里拋磚引玉，更細(xì)致的方案需要產(chǎn)

3、品性能的進(jìn)一步提高和組網(wǎng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累。在一般規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮網(wǎng)絡(luò)容量和時(shí)延。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)容量雖然可以支持到最多6.5萬(wàn)個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每?jī)上噜徆?jié)點(diǎn)完成一次通信需要15ms時(shí)間。但在實(shí)際應(yīng)用中需 要考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和響應(yīng)時(shí)間。單點(diǎn)容量大了，覆蓋范圍擴(kuò)充不大；響應(yīng)時(shí)間大了，應(yīng)用 業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)不了。這就需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，設(shè)計(jì)有效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M合來(lái)滿足各種不同應(yīng) 用。以下分別以理想狀態(tài)下不同拓?fù)湫问降木W(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算加以分析：線性網(wǎng)絡(luò)線性網(wǎng)絡(luò)屬于比較簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)形式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有唯一的一條路徑，這就決定了網(wǎng)絡(luò)中 的節(jié)點(diǎn)數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，也即跳數(shù)（Hop）。在線性網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的掃描周期（中心節(jié)

4、點(diǎn) 采集網(wǎng)絡(luò)中所有骨干節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間）直接取決于網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)，也即骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。以 每次通信周期為15ms計(jì)算，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的掃描周期T可表示為：T = 15ms （ 1+ 2 + 3 + . + n）其中，T為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的掃描周期，n為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，也即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)T = 20s時(shí)，計(jì)算可得n = 51，也即線性網(wǎng)絡(luò)在滿足最長(zhǎng)20s的掃描周期時(shí)的網(wǎng)絡(luò) 最大容量為51節(jié)點(diǎn)。以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離為100米（0.1km）計(jì)算，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋 范圍為510.1=5.1公里長(zhǎng)的線狀區(qū)域。根據(jù)上述公式，當(dāng)n = 20時(shí)，T = 3s，也即在滿足20s掃描周期的前提下可將網(wǎng)絡(luò)分 成6條有20點(diǎn)的支路，這樣

5、可使覆蓋范圍（近似nr八2=12.56）上升到12公里，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容 量也增加到120點(diǎn)。分析結(jié)論：線性網(wǎng)絡(luò)的單一支路20s輪詢(xún)周期的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為51，盡量減少跳數(shù)有助 于提高網(wǎng)絡(luò)容量。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由于網(wǎng)絡(luò)的多路徑性，網(wǎng)絡(luò)的掃描時(shí)間分析起來(lái)也比較復(fù)雜， 以下以正方形區(qū)域代替圓形作簡(jiǎn)要的分析。圖1 ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示，假設(shè)在任意兩條直線的交叉點(diǎn)處放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且中心節(jié)點(diǎn)位于整個(gè) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹行奈恢?，那么能和中心點(diǎn)直接通信(1跳)的節(jié)點(diǎn)有8個(gè)(圍繞在中心點(diǎn)周?chē)?的8個(gè)節(jié)點(diǎn))，而中心節(jié)點(diǎn)需要用兩跳的消耗才能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)有16個(gè)，三跳的有24個(gè).， 則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的掃描時(shí)

6、間可以下述公式表式：T = 15ms * 8 (1 + 4 + 9 + + n*n)N = 8(1 + 2 + 3 + . + n)其中，n為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，N為網(wǎng)容節(jié)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)T = 20s時(shí)，計(jì)算可得n = 7, N = 224，也即網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在滿足最長(zhǎng)20s的掃描周期 時(shí)的網(wǎng)絡(luò)最大容量為224節(jié)點(diǎn)。以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離為100米計(jì)算，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋 范圍為1.4大1.4 = 1.96平方公里的區(qū)域。而如果中心節(jié)點(diǎn)位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥吘壍脑?，很明顯會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，從而延長(zhǎng)了 系統(tǒng)的掃描時(shí)間，也即減小了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。分析結(jié)論：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)盡量布置在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹行奈恢?，越靠近邊緣，系統(tǒng) 的掃

7、描時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)，在掃描時(shí)間的限定下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量也會(huì)變的更小?？臻g網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)空間的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)較之網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(平面)更為復(fù)雜，可以想象在10層高每層分布20個(gè) 房間的樓宇內(nèi)，每個(gè)房間裝一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 的掃描時(shí)間計(jì)算為：T = N * t + n*15ms (1 + 2 + 3 + + N - 1 )其中，T為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的掃描周期，t為單層掃描周期，n為每層平面的節(jié)點(diǎn)數(shù)，N為空 間層數(shù)。根據(jù)上述公式，若把每一平面層可以看成是一個(gè)平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干 垂直分布的平面網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組成。以每層25個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算，則空間最多不能超過(guò)9層。若把每一平面層可以看成是一個(gè)二分支線性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干垂直分布的二 分支線性網(wǎng)絡(luò)組成。以每層24個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算，則空間最多不能超過(guò)6層。分析結(jié)論：空間網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能和每平面層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有直接的關(guān)系，為增加網(wǎng) 絡(luò)容量，應(yīng)盡量減少每平面層的節(jié)點(diǎn)數(shù)?；旌暇W(wǎng)