摘 要：研究基于IEEE 80214標(biāo)準(zhǔn)的G的請求和確定，建立單設(shè)備和多設(shè)備請求G的Petri網(wǎng)響應(yīng)模型，并對實時通信的延遲進(jìn)行估計和仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，確定當(dāng)滿足一般實時性要求時，傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模應(yīng)該滿足的條件。其研究成果對于傳感器網(wǎng)絡(luò)在實時環(huán)境下的應(yīng)用研究具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；G；Petri網(wǎng)模型；接入延遲

Research on Real-ime Communication in ensor Network

YI Gaizhen1，YAN airong2

(1Xianyang Normal University，Xianyang，712000，China;2chool of Computer Engineering，Xi′an echnological University，Xi′an，710032，China)[J12]

Abstract：his paper researches the request and locating Guaranteed ime lot(G) of IEEE80214，puts forward the Petri net model about the request and locating of G for a single device and multi-devices，estimats and simulats the delay of real-time communicationAccording to the simulation result，the condition of the sensor network meeting when the general real-time should be satisfiedhe results of the paper have important reference values for research on application of sensor network under the real-time circumstance

Keywords：sensor network;G;Petri net model;accessing delay[J12/3]

1 引 言

近年來，由于能夠適應(yīng)多種現(xiàn)實智能環(huán)境，傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了快速發(fā)展，并以其自組織、自管理、自節(jié)能、可靠性高、造價低和適用于惡劣環(huán)境等特點，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)和交通等領(lǐng)域。

在一些具體應(yīng)用中，有時需要對傳感器測量信息做出實時反映。比如在醫(yī)療中，對于病人血壓值的突然升高必須在很短時間內(nèi)了解并采取措施。在軍事打擊中，一些重要傳感器的數(shù)據(jù)必須盡快得到處理并能得到快速反應(yīng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)自動制造中也有實時性的要求。根據(jù)工業(yè)自動化系統(tǒng)理論，實時系統(tǒng)分為3個等級：低約束級，允許響應(yīng)時間超過100 ms；一般約束級，響應(yīng)時間在～10 ms之間；高約束級，響應(yīng)時間低于1 ms［1，2］。本文以星型為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以IEEE80214標(biāo)準(zhǔn)和Zigbee［3，4］為基礎(chǔ)協(xié)議，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的實時性能。

2 協(xié)議分析

IEEE 80214 定義了2個工作頻段，即24 Gz頻段和868/91 Mz頻段（適合不同國家地區(qū)），共分配27 個具有3 種速率的信道：在24 Gz頻段有16個速率為20 kb/s的信道， 在91 Mz頻段有10個40 kb/s的信道，在868 Mz頻段有1個20 kb/s的信道。

為了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)同步，IEEE 80214在MAC層定義了超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義，有16個大小相等的時隙，每個超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀（beacon）分隔，信標(biāo)幀在超幀的第一個時隙被傳輸。超幀分為競爭訪問周期（Contention Access Period，CAP）和無競爭訪問周期(Contention Free Period，CFP)。在CAP階段，設(shè)備采用CMA-CA機制競爭信道，設(shè)備對信道的訪問延遲無法控制，無法實現(xiàn)實時要求，在CFP階段，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為有實時性要求的設(shè)備分配G時隙，實現(xiàn)實時通信，如圖1所示。

21 超幀的參數(shù)

由于IEEE 80214允許設(shè)備采用節(jié)能模式，因而超幀有活動和非活動2種狀態(tài)。在非活動狀態(tài)下，節(jié)點進(jìn)入休眠模式。這時使用2個參數(shù)信標(biāo)幀間隔：一個是信標(biāo)序號BO，即信標(biāo)間隔，要求0≤BO≤14；另一個參數(shù)是超幀序號O，并且0≤O≤BO≤14。當(dāng)BO=1時，協(xié)調(diào)器將不再發(fā)送信標(biāo)幀，并且忽略uperframeOrder參數(shù)值。協(xié)調(diào)器只在超幀的活動狀態(tài)為設(shè)備分配G，如圖2所示。

22 G的分配過程

當(dāng)設(shè)備發(fā)送MLME-Grequest原語時請求G，設(shè)備將要發(fā)送的信息的長度和目的地址都包含在原語中。協(xié)調(diào)器一旦接收到請求，為提出請求的設(shè)備分配G并發(fā)送應(yīng)答信息，然后協(xié)調(diào)器檢查當(dāng)前超幀是否有足夠空間分配請求，并且重新計算CAP和CFP參數(shù)的長度。如果協(xié)調(diào)器同時收到多個G請求，將按照FIFO（First in First out）機制排隊，協(xié)調(diào)器將在aGDescPersistenceime時間內(nèi)完成決策，如圖3所示。

如果分配成功，協(xié)調(diào)器就在信標(biāo)中加入G指示幀，G指示幀中包含申請設(shè)備的短地址、G的開始時隙和G的長度等信息。如果沒有足夠的空間可以分配申請的G，G指示幀中的開始傳送時隙就被設(shè)置為0。

當(dāng)設(shè)備收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的確認(rèn)應(yīng)答后，將監(jiān)聽信道，并等待最長aGDescPersistenceime 時間（ aGDescPersistenceime= 4 surperframe）。若在此期間收到的信標(biāo)幀中包含該設(shè)備的G指示時，設(shè)備處理G指示；如果信標(biāo)幀中不含有該設(shè)備的G指示，宣布申請失敗。

在G發(fā)送之前，發(fā)送者發(fā)送MCP-DAArequest原語以監(jiān)測接收者是否做好接收準(zhǔn)備。當(dāng)協(xié)調(diào)器接到MCP-DAArequest時，協(xié)調(diào)器的MAC層將檢查是否有效，即是否為該設(shè)備分配過G。如果有效，在分配的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。

G傳送不必使用CMA-CA機制，沒有競爭和退避時間，這種方法能夠適合實時請求。

3 Petri網(wǎng)模型

Petri 網(wǎng)的概念是由德國人Carl Adam Petri 于1960 首先提出的，具有嚴(yán)密數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能深刻、簡潔地描述控制系統(tǒng)并能對系統(tǒng)的動態(tài)性質(zhì)進(jìn)行分析。該方法以圖形的表達(dá)方式描述系統(tǒng)，可直觀地顯示系統(tǒng)的動態(tài)過程，具有可讀性和易于理解的特點。經(jīng)典的Petri 網(wǎng)是簡單的過程模型，由2種設(shè)備（庫所和變遷）、有向弧、以及令牌等元素組成的。庫所（Place）一般用圓形設(shè)備表示；變遷（ransition）用方形設(shè)備或者線表示，代表事件、轉(zhuǎn)化或傳輸；有向弧用來實現(xiàn)庫所和變遷之間的連接；令牌（oken）是庫所中的動態(tài)對象，可以從一個庫所移動到另一個庫所，令牌表示事物、信息、條件或?qū)ο蟮臓顟B(tài)。

根據(jù)上面的分析，協(xié)調(diào)器對于G的請求采取先來先服務(wù)的規(guī)則，設(shè)備1請求G得到協(xié)調(diào)器的安排可能性如圖4所示。這里假設(shè)設(shè)備1是一周期采樣的傳感器結(jié)點，而且采樣周期小于等于幀長，在同一超幀中不會連續(xù)申請多個G。

一旦產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在隊列中等待發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)包移動到隊首時，發(fā)送G請求，直到分配到G時隙時才發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣，響應(yīng)時間由3部分組成：入隊時間、分配G時間和等待發(fā)送時間片的時間。

31 設(shè)備請求G的響應(yīng)時間模型

分析中，假設(shè)每個設(shè)備申請G只占一個時隙（IEEE 80214中允許一個G占用連續(xù)多個時隙）。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個設(shè)備需要G傳輸，采用PERI網(wǎng)為傳感器網(wǎng)絡(luò)建立關(guān)于延遲模型如圖所示。

圖中，t1處加入時間控制，用來仿真數(shù)據(jù)包到達(dá)，由傳感器周期性采樣的性質(zhì)，選擇間隔為常數(shù)的分布，參數(shù)為λ，表示每秒到達(dá)信息包個數(shù)。根據(jù)采樣時間，將傳感器分為2種：一種是周期傳感器；另一種是事件驅(qū)動傳感器。采用周期采樣，一般探測周期為300 ms，于是，λ=300 ms。

在t4時間加入常數(shù)分布的時間控制， 均值為μ，根據(jù)文獻(xiàn)［3］計算，aBaselotDuration=60 symbols，data rate=62 ksymbols/s(2 40 Mz)，則計算得到a slot time= 096 ms，μ=096×16=136 ms；變化范圍為正負(fù)6×096=76 ms，符合（96，2112）的均勻分布。

由于處理速度大于包的生成速度，設(shè)備的G請求被立即分配，立即發(fā)送所有包。此過程滿足高約束實時環(huán)境。

32 多個設(shè)備請求G的響應(yīng)時間的模型

如果有多于7個設(shè)備同時請求G，它的完整模型如圖6所示。

圖6中左邊每一行表示1個設(shè)備要求申請G傳送，8行表示8個設(shè)備要求G傳送；右邊的2行，下面一行用來控制整幀的時間推進(jìn)，上面的用來控制幀中時隙的推進(jìn)。P6和P22的7個令牌，表示幀中最多可以分配7個時隙的G（這里表示最多可分配7個設(shè)備的申請）。P1，P6等4個令牌表示每個設(shè)備有4個數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，并需要發(fā)送。在t1，t，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設(shè)置時間控制函數(shù)，表示數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時間間隔。仿真中假設(shè)傳感器周期探測，設(shè)常數(shù)分布300 ms（大部分溫度濕度傳感器的探測周期）。在t4處設(shè)置時間控制函數(shù)，常數(shù)分布，表示時隙之間間隔，即時隙寬度，096 ms。在t13處設(shè)置時間控制函數(shù)，表示整個幀的長度，常數(shù)分布136 ms。

仿真表明，響應(yīng)時間不是很長，最大等待時間為1個超幀的長度136 ms，即它能滿足實時的低約束環(huán)境。如果設(shè)備請求G的個數(shù)增加30倍，需要分配個超幀時間的長度，而設(shè)備最多等待4個超幀時間。因此，一些設(shè)備失去了分配G的機會。實際上，1個設(shè)備可以請求多個G，隨著G請求丟失的越多，響應(yīng)時間也隨著增加，仿真結(jié)果如圖7所示。

33 多設(shè)備隨機請求G

圖6中的模型也適合于事件驅(qū)動傳感器，G請求隨機到達(dá)。假設(shè)包到達(dá)服從泊松分布，改變t1，t，t7，t11，t17，t20，t23，t26處設(shè)置時間控制函數(shù)，設(shè)服從期望值為136 ms（1幀的長度）的負(fù)指數(shù)分布，產(chǎn)生G請求的結(jié)點從3~7進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖8所示。由于隨機產(chǎn)生的G請求，G的響應(yīng)時間比上面定時同時產(chǎn)生請求要短。但也可以看到隨著產(chǎn)生站點G請求的站點增多，最大響應(yīng)時間和平均響應(yīng)時間都在逐步增大。這樣隨著產(chǎn)生G的數(shù)量增多，丟失G的情況一定還會發(fā)生。

由于隨機產(chǎn)生的G請求，G的響應(yīng)時間比上面定時同時產(chǎn)生請求要短。但也可以看到隨著產(chǎn)生站點G請求的站點增多，最大響應(yīng)時間和平均相應(yīng)時間都在逐步增大。這樣隨著產(chǎn)生G的數(shù)量增多，丟失G的情況一定還會發(fā)生。

4 結(jié) 語

根據(jù)對星型傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析和仿真，如果每個設(shè)備只請求1個G時隙，最多允許7個設(shè)備同時請求G；否則，不滿足高約束實時環(huán)境。如果請求G的設(shè)備大于28，G將會丟失。如果1個設(shè)備請求多個G時隙，G丟失率會成倍增加。因而，現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不足以滿足實時系統(tǒng)，協(xié)議的改進(jìn)有待進(jìn)一步研究。本文的研究成果對于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實時控制系統(tǒng)具有重要的參考價值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Albert Krohn，Michael Beigl，Christian Decker，et alomac-real-time Message Ordering in Wireless ensor Networks Using the MAC Layer［J］In Proceedings of the 2nd International Workshop on Networked ensing ystems (IN)，200:27-28

［2］Miu xueqingExposition of ix ype of Communication Protocol of Real - ime Ethernet[J]Process Automation Instrumentation，200，26(4):1-4

［3］Zigbee Alliance［EB/OL］In http://wwwzigbeeorg

［4］un liminWireless ensor Networks［M］Beijing:singhua University Press，200

80214-2003 IEEE tandard for Information echnology-Part 14:Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PY) pecifications for Low-rate Wireless Personal Area Networks (LRWPANs)UA:IEEE Press，2003

作者簡介 弋改珍 女，1969年出生，講師。研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)仿真、網(wǎng)絡(luò)安全。

傳 感 器 技 術(shù)施澤全:基于AVR單片機的煤礦傳感器設(shè)計