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毕业论文(设计)
英文文献翻译
英文题目 ZigBee Performance Analysis
中文题目 ZigBee性能分析
ZigBee性能分析
Arup Mukherji Subbanarasaiah Sadu
RBEI/ EBA 理工：通信工程
罗伯特博世工程与 Eamp;C Department
商务解决方案有限公司 NITK Surathkal
班加罗尔-印度 印度门格洛尔
Arup.mukherji@in.bosch.com Subbanarasaiah.sadu@gmail.com
摘要:由于规范和实际现场测量数据的差异，在设计无线传感器网络时，技术规范可能并不总是可靠的。这项工作试图弥合差距，通过提供实际现场测试测量结果和分析在ZigBee设备上完成。在设计基于无线传感器网络的应用时，该结果可作为指导。各种测试，如范围测试，启动和加入ZigBee网络所需的时间，各个阶段的功耗，设备发现和来自不同供应商的ZigBee设备之间的互操作性测试已经被覆盖作为这项工作的一部分。
关键词：ZigBee，LOS（视线），operability间，现场测试，在测试设备（DUT）
- 简介
ZigBee是建立在IEEE 802.15.4MAC/PHY上的开放全球网络层标准，用于支持高级网格路由。ZigBee规范是由组成ZigBee联盟（1）的公司（包括半导体、模块、堆栈和软件开发人员）不断发展的联盟开发的。ZigBee栈由多个层组成，包括网络、应用支持子层（APS）和IEEE 802.15.4 MAC层上的ZigBee设备对象（ZDO）层。技术上，应用层（AF）层也存在于APS层之上。802.15.4 PHY定义了在2.4 GHz频带中的16个工作信道。ZigBee协议也支持在亚千兆赫兹范围的设备上。这种宽范围的频谱使其成为视线（LOS）和非视线型无线传感器网络应用的理想选择。 本文（2）对ZigBee技术和ZigBee联盟的工作进行了全面的描述。
ZigBee APS层已经支持某些“公共”配置，如商业大厦自动化（CBA）、家庭自动化（HA）、智能能源（SE）。通过ZigBee联盟定义、开发和维护公共配置文件。公共配置文件的整个想法是在不同制造商之间的设备之间具有互操作性。ZigBee还具有由制造商定义和维护的“私有”应用程序配置文件。
在本文中，首先，我们尝试验证ZigBee器件的范围和功率灵敏度。对实际测量值与理论值进行了比较。对于非LOS特定情形，通过曲线拟合法导出合适的方程。文中还评估了网络在不同阶段活跃的功耗和时间。对于互操作性，我们尝试使用“私有”配置文件，并在来自不同制造商的两个ZigBee设备之间执行测试。这样，当无线传感器网络应用程序创建了自己的“私有”配置文件（由于其独特的需求），并希望在不同的制造商之间具有互操作性时，就试图提出瓶颈，因此应用程序是独立于单个供应商的。
测试的摘要在表I中描述，随后的章节将给出详细的结果和分析。
表一现场试验总结
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测试 |
描述 |
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范围测试 |
1.视线瞄准试验 2.非LOS试验 编写一个算法来检查数据丢失。 计算范围与信号强度的关系。 对于非LOS，采用曲线拟合的方法。 |
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功耗测试 |
1.加入网络时的功耗。 2.网络处于空闲状态时的功耗。 3.睡眠模式下的功耗 |
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网络测试 |
1.协调器和终端设备最初形成和加入网络所花费的时间。 2.在正常操作时关闭/接通装置并检查重新连接时间。 3.关闭/打开协调器并检查重新连接时间 |
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互操作性测试 |
通过在来自不同制造商的两个ZigBee支持设备之间配置不同的“私有”配置文件ID来检查互操作性。 |
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空中配置测试 |
在协议中识别可以在空气中配置的参数，例如，终端设备将传感器数据更新到协调器的采样周期速率。 |
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安全性测试 |
网络层安全和APS层安全的配置和测试。 |
本文的结果和分析至少在以下方面是有益的。
a）它为LOS和非LOS提供了对距离与功率分配的实际洞察力。这将有助于设计网状网络。
b）在空中测试提供了协调器可以在运行节点中在终端节点配置而不需要服务工程师和不重新启动设备的参数
c）功耗和网络测试有助于设计高效的电池管理系统，以节省电力。
d）网络测试给出了在ZigBee中各种协议模式所花费的时间的洞察力，这有助于无线传感器网络设计者预测系统响应/激活时间的概述。
本文对Digi-International的XBEE Pro S2B器件进行了现场测试和分析。XBee器件具有11个数字I/O引脚和4个模拟引脚，工作电压为2.7～3.6V，数据速率为250kbps，工作频率ISM 2.4GHZ。对于互操作性，我们使用飞思卡尔TWR KW24D512开发板。
该文件已准备好的测试环境和设备的作者，而没有任何独立的第三方验证。所获得的结果并不挑战制造商的规格或ZigBee协议。
本文的其余部分组织如下：第二部分描述范围测试，第三部分描述功耗测试，第四节描述网络测试，第五节描述互操作性测试，第六节描述了空中测试配置，第七节描述安全测试和最后，第八节总结全文。
- 范围检验
这个测试使我们能够找到接收到的信号的功率电平和覆盖范围。我们使用两个DUT设备作为协调器和终端设备配置。当升压模式（高功率模式）启用时，DUT使用10 dBm的发射功率。实况计数器值从协调器发送到终端设备，终端设备执行2的恭维并发送结果。然后，协调器检查接收的值和接收的功率电平。范围试验的工作如图1所示。
图1.范围测试
协调器
实时计数器值=a
c=2的算数恭维
从终端设备接受的值=d
如果（c==b）
测试通过；
否则
测试失败;
b
a
终端设备
从协调器接收的值=a
b=2的算数恭维
发送b
b
a
（Los）室外环境
距离（米）
接收频率（dB）
1系列 2系列
图2. Los环境
非Los环境
距离（米）
接收频率（dB）
图3.非Los环境
测试是在两个环境中进行的。1.视线（LOS）环境。2.非LOS环境。回归测试在两种情况下都显示出积极的结果，结果如图2和图3所示。
用于发送和接收数据的天线是DAT5-G01R偶极子天线，其增益为5 dBi，VSWR为1.9:max，具有全方位辐射模式。
图2中的系列1表示接收功率 w.r.t距离的变化，如方程式1所示的FRIE自由空间传输方程〔3〕。代表发射天线的功率，代表发射天线的增益，代表接收天线的增益，R代表发射机和接收机之间的距离；lambda;表示工作波长。值为10 mW，ZigBee协议的工作频率为2.4 GHz。
（1）
系列2表示在开放环境中计算的接收功率值。LOS试验进行到100m，发现期望值低于理论值约6dBm。
图3表示在非LOS（封闭停车）环境中的接收功率W.R.T距离的变化，其中混凝土柱位于其间。通过曲线拟合，我们发现图的适当曲线是一个第三阶函数，如等式（2）所示，常数为a= 34.945，b＝-2.0848，c＝0.06032，d＝0.000772。用等式（2），我们发现在DUT可以工作的米的近似距离为57.4米，接收功率为-102dBm（接收机灵敏度的指定值）。
（2）
注：非LOS环境总是特定的，不可推广，但以上概念可用于导出基于非LOS环境特征的合适的曲线拟合方程。
- 功耗检验
本试验的目的是找出网络在不同运行模式下的功耗。这些测试对于估计端部器件的电池寿命是有用的。为了找到终端设备的功耗，需要在不同的模式下找到终端设备的电流消耗。结果表明，在3.3V的工作电压下，端部器件在不同模式下的电流消耗。
A.加入网络时的电流消耗
在加入网络时，终端设备首先搜索协调器，然后成为网络的一部分。在搜索网络时，它消耗32毫安，并且在形成网络之后，它在空闲模式时取19Ma。
B.终端设备在接收时的电流消耗
当端部设备距离协调器1米时，接收模式中的最大电流为31.11Ma。
C.终端设备空闲时的电流消耗
模式和休眠模式
在空闲模式下，终端设备接收器断开。在睡眠模式下，设备将进入低功耗模式。电流消耗量随电源电压的变化而变化。表II示出了睡眠电流和空闲电流W.R.T电源电压的变化。这些值是在末端装置距协调器1米的距离时计算的。
- 网络测试
A. 协调组建网络的时间
协调器负责形成网络〔4〕。该过程包含网络的信道选择、PAN ID选择、安全策略和堆栈配置文件。为了保证协调器在良好的信道和未使用的16位PAN ID上启动，协调器首先通过在不同信道上执行能量扫描来选择网络所需的信道，以检测每个级别上的能量水平。在执行能量扫描之后，它选择合适的信道，然后执行主动扫描以选择未使用的16位PAN ID开始。协调器形成网络所花费的时间大约为6.58秒，如图4所示。
B.终端设备加入网络所花费的时间
终端设备必须发现并加入有效的ZigBee网络[4 ]。它在其扫描频道列表上执行第一频道的泛扫描。如果没有找到有效的PAN ID，则在下一个信道上执行PAN扫描，并继续此过程，直到发现网络或所有信道结束。一旦PAN ID的信道扫描结束，终端设备将尝试进入低功率状态，并在从睡眠唤醒后重试扫描。通过分析我们的结果，终端设备在搜索和加入网络时需要不同的时间。写一个新的PAN ID加入网络的时间范围在7到17秒之间，这取决于写点。图5所示的端部连接的典型例子大约需要14.8秒。请注意，协调器已经配置为新的PAN-ID写入终端设备。
C.在正常运行和检查重新连接时间时关闭/打开协调器
如果对协调器产生功率周期或复位，则将保留以下数据：1.PAN ID 2.操作通道。3.安全策略和帧计数器值。4.子表。因此，与第一次形成网络相比，花费更少的时间。这种现象如图6所示，需要550毫秒左右。
表Ⅱ睡眠电流和空闲电流W.R.T电源电压的变化
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资料编号：[22047]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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电压 |
空闲电流（RX关闭）（毫安培） |
睡眠电流（微安） |
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2.7 |
17.3 |
1.9 |
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2.8 |
17.6 |
1.9 |
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