姜智文，周 熙，佘 陽(yáng)，黃 磊，李廣位

(重慶通信學(xué)院，重慶400035)

0 引言

隨著無(wú)線通信、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，涉及多學(xué)科高度交叉的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)［1－2］研究領(lǐng)域正備受關(guān)注。IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)［3］被認(rèn)為是目前最適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層的無(wú)線通信協(xié)議。

近來(lái)，研究者針對(duì)IEEE802．15．4時(shí)隙CSMA/CA算法，運(yùn)用離散時(shí)間馬爾科夫鏈模型［4－6］，提出了時(shí)隙CSMA/CA的分析模型，但未考慮Beacon Order(BO)、Superframe Order(SO)值的影響。文獻(xiàn)［7］提出了一種在飽和情況下一種新的CSMA/CA的馬爾科夫鏈模型用來(lái)計(jì)算吞吐量和能耗。文獻(xiàn)［8］中，Koubaa等人通過(guò)為2種幀類(lèi)型設(shè)置CSMA/CA參數(shù)，仿真并比較了先進(jìn)先出隊(duì)列和優(yōu)先級(jí)隊(duì)列之間的差異。文獻(xiàn)［9］研究了 IEEE802．15．4MAC 屬性的值(BO=SO，即100%的占空比)對(duì)吞吐量，時(shí)延和成功率的影響，未對(duì)其他的取值進(jìn)行研究。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化時(shí)，IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中采用的靜態(tài)法案設(shè)置活躍期和非活躍期持續(xù)時(shí)間的辦法將不能滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的要求，需要采取不同的工作周期以到達(dá)改善網(wǎng)絡(luò)性能的目的，因此，分析工作周期等對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響尤為重要。

1 IEEE802．15．4 標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802．15．4 標(biāo)準(zhǔn)把低能耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，旨在為短距離不同設(shè)備之間低速率無(wú)線互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò)中，存在2種功能設(shè)備:全功能設(shè)備(FFD)和部分功能設(shè)備(RFD)。FFD可作為網(wǎng)絡(luò)的PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器和設(shè)備，而RFD功能相對(duì)簡(jiǎn)單，只與FFD通信，不需傳輸大量的數(shù)據(jù)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求，IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò)中定義了2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(Physical Layer)和媒體接入控制(Medium Access Control，MAC)層。物理層中，定義了網(wǎng)絡(luò)的物理信道、調(diào)制方式、擴(kuò)頻方式等，其功能是激活和關(guān)閉無(wú)線發(fā)送器、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示、選擇信道空閑信道評(píng)估以及物理信道發(fā)送和接受數(shù)據(jù)幀。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3 種 頻 率 帶 寬 868 MHz，915 MHz 和2．4 GHz。2．4 GHz頻段是全球通用，所以本文所考慮的物理層頻率帶寬設(shè)置為2．4 GHz，傳輸數(shù)率為250 kbps。

MAC層是主要是用來(lái)規(guī)范信道訪問(wèn)的方式，解決物理節(jié)點(diǎn)以何種規(guī)則共享媒體并取得滿(mǎn)意的網(wǎng)絡(luò)性能問(wèn)題。IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的MAC協(xié)議支持信標(biāo)時(shí)能(Beacon Mode)和非信標(biāo)使能(non-Beacon Mode)。在信標(biāo)使能模式下，提供了2種信道訪問(wèn)方式:基于競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)隙CSMA/CA協(xié)議和確保傳輸時(shí)隙的GTS機(jī)制。時(shí)隙CSMA/CA采用載波偵聽(tīng)多址接入/碰撞避免方式，適用于業(yè)務(wù)傳輸實(shí)時(shí)性要求較低的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 超幀結(jié)構(gòu)

在IEEE802．15．4的MAC協(xié)議中，引入了超幀結(jié)構(gòu)(Superframe Structure)的概念，如圖1所示。超幀以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)發(fā)出的信標(biāo)(圖中第一個(gè)時(shí)隙)為開(kāi)始，由活躍期和非活躍期2個(gè)部分組成。在活躍期，PAN中的設(shè)備進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。在非活躍期，PAN中的設(shè)備停止通信，進(jìn)入休眠狀態(tài)以達(dá)到節(jié)省能量的目的。

圖1 超幀結(jié)構(gòu)

超幀的結(jié)構(gòu)由1個(gè)參數(shù)確定，信標(biāo)參數(shù) BO(Beacon Order)和超幀參數(shù)SO(Superframe Order)，BO決定超幀的長(zhǎng)度，SO決定一幀中活躍期的長(zhǎng)度，BO和SO滿(mǎn)足0≤SO≤BO≤14。超幀長(zhǎng)度BI和超幀活躍期長(zhǎng)度SD由以下公式確定:

超幀的工作周期(Duty Cycle，DC)也可稱(chēng)為占空比定義為:DC=SD/BI。顯然，由式(1)和式(2)可知，占空比與SO和BO的取值相關(guān)。

超幀的活躍期劃分為3個(gè)時(shí)段:信標(biāo)發(fā)送時(shí)段、競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)CAP時(shí)段(Contention Access Period)和非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)CFP時(shí)段(Contention Free Period)?；钴S期被劃分為16個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)隙，在超幀的CAP時(shí)段，節(jié)點(diǎn)采用時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制接入信道。在CFP時(shí)段，PAN協(xié)調(diào)器以先進(jìn)先服務(wù)(FCFS)的方式分配各節(jié)點(diǎn)預(yù)約的保障時(shí)隙GTS。保障時(shí)隙用于保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，每個(gè)超幀最多支持7個(gè)保障時(shí)隙。

3 IEEE802．15．4 時(shí)隙 CSMA/CA 算法

關(guān)注重點(diǎn)放在了IEEE802．15．4MAC協(xié)議時(shí)隙CSMA/CA算法上，主要是因?yàn)橄鄬?duì)于非時(shí)隙的CSMA/CA算法而言，時(shí)隙CSMA/CA算法使用信標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步服務(wù)，這不同于以往所知一些CSMA/CA算法(例如 IEEE802．11中)。

IEEE802．15．4MAC 層采用 CSMA/CA(Carrier Sensor Multiple With Collision Avoidance)信道訪問(wèn)機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)，該算法也是ZigBee的關(guān)鍵技術(shù)之一。時(shí)隙CSMA/CA算法主要應(yīng)用在超幀的CAP時(shí)段，除非該幀是緊跟在一個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令的確認(rèn)幀之后(此時(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)幀可以在發(fā)送完確認(rèn)幀之后立即發(fā)送)，要么各個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前均應(yīng)用CSMA/CA算法競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)信道。在信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中MAC層采用的是時(shí)隙CSMA/CA算法，而在非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中采用無(wú)時(shí)隙的CSMA/CA算法，研究是基于時(shí)隙CSMA/CA算法的基礎(chǔ)上開(kāi)展的。

為實(shí)現(xiàn)該算法，需要維護(hù)3個(gè)變量:NB、CW和BE。

①NB是在執(zhí)行當(dāng)前發(fā)送任務(wù)時(shí)，時(shí)隙CSMA/CA算法需要進(jìn)行退避的次數(shù)，在開(kāi)始新的算法過(guò)程時(shí)初始化為0，當(dāng)信道為忙時(shí)，NB的值會(huì)自動(dòng)加1，最大值為4;

②CW是競(jìng)爭(zhēng)窗口長(zhǎng)度，是開(kāi)始傳送信息之前連續(xù)監(jiān)測(cè)到信道空閑的次數(shù)，每次算法開(kāi)始時(shí)被初始化為2，并且每次信道監(jiān)聽(tīng)評(píng)定為忙時(shí)重置為2;

③BE是退避指數(shù)，它與設(shè)備在使用信道進(jìn)行信息發(fā)送之前需要等待的退避周期有關(guān)，是一個(gè)在(0，2BE－1)之間的隨機(jī)數(shù)，信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中該值被初始化為2和macMinBE中較小的一個(gè)，BE的最大值定義為5，這是為了避免退避時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

4 仿真方案設(shè)計(jì)

OPNET Modeler作為當(dāng)前業(yè)界著名的仿真軟件，以其無(wú)與倫比的靈活性應(yīng)用于設(shè)計(jì)和研究通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議和應(yīng)用。OPNET作為事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，能最佳地模擬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文基于P．Jurcik，A．Koubaa 開(kāi)發(fā)的 IEEE802．15．4OPNET Simulation Model Version2．1開(kāi)展計(jì)算機(jī)仿真研究。目前，該模型僅支持星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，只能滿(mǎn)足終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)點(diǎn)之間的單跳通信。

IEEE802．15．4的 OPNET仿真模型如圖 2所示。該模型由4部分組成:物理層(Physical layer)、MAC層、應(yīng)用層(Application Layer)和電源模塊(Battery Module)。MAC層定義了CSMA/CA算法和GTS機(jī)制，本文重點(diǎn)關(guān)注的是時(shí)隙CSMA/CA算法，使用OPNET默認(rèn)的無(wú)線模塊來(lái)仿照無(wú)線信道物理層。

圖2 IEEE802．15．4的 OPNET 仿真模型

仿真場(chǎng)景均采用理想的物理層，調(diào)制方式為O-QPSK。每個(gè)仿真場(chǎng)景中都采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有一個(gè)PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)和若干設(shè)備節(jié)點(diǎn)。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真環(huán)境設(shè)置

5 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)值，設(shè)置了不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，研究了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、占空比對(duì)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接入時(shí)延、吞吐量以及能耗之間的影響。

分別選取節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4、20、50和100場(chǎng)景作為比較對(duì)象，每組均有相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及不同的占空比，研究不同的占空比對(duì)介質(zhì)接入時(shí)延的影響，仿真結(jié)果表明，隨著占空比的降低，網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)接入時(shí)延不斷增加，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為20、50和100時(shí)，仿真結(jié)果也如此。

分別選取具有相同的占空比和不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的仿真場(chǎng)景，研究在相同的占空比情況下，節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)介質(zhì)接入時(shí)延的影響，結(jié)果表明當(dāng)占空比相同的情況下，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)接入時(shí)延就越大，在占空比取其他固定值時(shí)也是類(lèi)似的結(jié)果。

選取節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為50的仿真環(huán)境，研究不同的占空比條件下介質(zhì)接入時(shí)延與吞吐量之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同占空比下介質(zhì)接入時(shí)延與吞吐量之間關(guān)系

仿真結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為50的情況下，隨著占空比的不斷減小，介質(zhì)接入時(shí)延會(huì)增加，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會(huì)下降，這主要是因?yàn)槌瑤伎毡鹊臏p小導(dǎo)致了超幀的活躍期時(shí)間變短，使得網(wǎng)絡(luò)更多時(shí)間處在了非活躍期，處理數(shù)據(jù)的時(shí)間短了，介質(zhì)接入時(shí)延和吞吐量也就降低了。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，需要的是盡可能小的介質(zhì)接入時(shí)延和盡可能大的吞吐量。

在固定占空比下，不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)條件下介質(zhì)接入時(shí)延與吞吐量之間的關(guān)系，選取SO=1和BO=2的固定工作周期，分別選取了節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4、20、50和100為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，介質(zhì)接入時(shí)延就越大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大。節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為50的情況下，隨著占空比的變化，介質(zhì)接入時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)能耗之間的關(guān)系如圖5所示。由分析結(jié)果可知，隨著占空比的減小，介質(zhì)接入時(shí)延就增大，網(wǎng)絡(luò)的能耗會(huì)降低，可見(jiàn)這是一對(duì)相互矛盾的對(duì)象，實(shí)際應(yīng)用中，既希望降低網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)接入時(shí)延，又要求盡可能降低網(wǎng)絡(luò)的能耗，因此，要針對(duì)不同環(huán)境和應(yīng)用特點(diǎn)區(qū)別對(duì)待，以達(dá)到二者之間的相互權(quán)衡，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。

固定占空比(BO=4、SO=1)條件下，不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下，介質(zhì)接入時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)能耗之間的關(guān)系如圖6所示。

節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，介質(zhì)接入時(shí)延就越大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在50以下時(shí)，隨著介質(zhì)接入時(shí)延的增大，網(wǎng)絡(luò)能耗始終保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，這主要是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少的情況下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小，網(wǎng)絡(luò)的處理能力能夠輕松應(yīng)對(duì)，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗也相對(duì)平穩(wěn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大使得網(wǎng)絡(luò)的處理能力吃緊，較大的介質(zhì)接入時(shí)延也伴隨著較大的能量消耗，這是不希望看到的。因此，對(duì)于擁有大量節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)在大量節(jié)點(diǎn)工作的環(huán)境下，介質(zhì)接入時(shí)之間的相互權(quán)衡是很重要的。

圖4 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的介質(zhì)接入時(shí)延與吞吐量之間關(guān)系

圖5 不同占空比下的介質(zhì)接入時(shí)延與能耗關(guān)系

圖6 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)介質(zhì)接入時(shí)延與能耗的關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)單介紹了 IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)介紹了在信標(biāo)使能模式下采用的時(shí)隙CSMA/CA算法?；贠PNET仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)了不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)，研究了節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、占空比等幾個(gè)重要參數(shù)對(duì)介質(zhì)接入時(shí)延、吞吐量以及能耗的影響，為今后的分析研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。仿真結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及占空比對(duì)介質(zhì)接入時(shí)延有著密切的關(guān)系。相同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)情況下，占空比越小，介質(zhì)接入時(shí)延越大，并且隨著占空比減小，介質(zhì)接入時(shí)延增大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量及能耗也均降低;相同占空比情況下，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增多，介質(zhì)接入時(shí)延也呈增大的趨勢(shì)，并且隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多，介質(zhì)接入時(shí)延增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量會(huì)變大，網(wǎng)絡(luò)的能耗在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)少于50時(shí)基本保持不變，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100時(shí)會(huì)有明顯的增加。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該依據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)合理地選擇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和占空比的大小，以求達(dá)到充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

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