吳璇（廈門大學(xué)自動(dòng)化系,福建廈門3610050）

IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗研究

吳璇
（廈門大學(xué)自動(dòng)化系,福建廈門3610050）

摘要:低速率、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不適用。IEEE802.15.4通信協(xié)議是短距離無線通信的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，包含了MAC層和物理層的規(guī)范，規(guī)定了在個(gè)域網(wǎng)（PAN）中設(shè)備之間的無線通信協(xié)議和接口。該標(biāo)準(zhǔn)也可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其是活動(dòng)時(shí)段（CAP）中采用的CSMA/CA算法對(duì)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中的能耗有很大作用，本文分析了其中BO、SO以及數(shù)據(jù)傳輸間隔對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備及協(xié)調(diào)器功耗的影響。

關(guān)鍵詞:IEEE802.15.4;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);CSMA/CA算法;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗

1引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于傳感器節(jié)點(diǎn)能源能量的限制，其計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力都十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取到局部網(wǎng)絡(luò)的信息，因而節(jié)點(diǎn)上所運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議不能太復(fù)雜，但同時(shí)還要能應(yīng)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外界環(huán)境的不斷變化[1]。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用超幀結(jié)構(gòu)和載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/沖突避免（CSMA/CA）算法，在盡量避免沖突的前提下，提供低功耗、低數(shù)據(jù)速率的可靠傳輸，努力在沖突避免的同時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和數(shù)據(jù)傳輸效率，在執(zhí)行空閑信道評(píng)估和限制收發(fā)器使用時(shí)間中尋找平衡。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于低速無線個(gè)域網(wǎng)的物理層及MAC層的兩個(gè)規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議其實(shí)并不在其范圍內(nèi)。但它能支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即單跳星型網(wǎng)絡(luò)和通信線路超過10m的多跳對(duì)等拓?fù)?，支持消耗功率較少，在個(gè)人活動(dòng)空間工作的簡(jiǎn)單器件[2]。

本文將從具體實(shí)驗(yàn)入手，研究IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗狀況。

2超幀結(jié)構(gòu)和CSMA/CA

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中使用的超幀是指一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間分配的邏輯結(jié)構(gòu)，如圖1所示[3],主要包括活動(dòng)時(shí)期和非活動(dòng)時(shí)期，超幀的活動(dòng)時(shí)期又分為競(jìng)爭(zhēng)訪問階段（Contention-AccessPeriod，CAP） 和 非 競(jìng) 爭(zhēng) 訪 問 階 段（Contention-FreePeriod，CFP）。網(wǎng)絡(luò)中所有的通信都必須在活動(dòng)時(shí)期進(jìn)行，設(shè)備在非活動(dòng)時(shí)期計(jì)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo) 準(zhǔn) 的MACPIB[3]， 屬 性 值 macBeaconOrder用 來 描述協(xié)調(diào)器傳輸它們的信標(biāo)的時(shí)間間隔等級(jí)，記為BO，信標(biāo)幀間隔的至記為BI；屬性值macSuperframeOrder用來描述超幀活動(dòng)部分的長(zhǎng)度，記為SO，超幀活動(dòng)時(shí)期長(zhǎng)度記為SD。?當(dāng)0=＜SO=＜BO=＜14，BI=aBaseSuperframeDuration*2BO，SD=aBaseSuperframeDuration*2SO，如果SO=15，超幀只包含非活動(dòng)階段；如果BO=15，SO的值可忽略，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

IEEE802.15.4的MAC層的超幀的競(jìng)爭(zhēng)訪問時(shí)段（CAP），使用帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入（CSMA/CA）算法[3]。各個(gè)設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前應(yīng)用CSMA/CA算法競(jìng)爭(zhēng)訪問信道，除非這個(gè)幀是跟隨在一個(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)幀后立即發(fā)送）。在信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中MAC子層需要使用帶時(shí)隙的CSMA/CA算法在超幀的CAP發(fā)送數(shù)據(jù)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將IEEE802.15.4應(yīng)用于一個(gè)大規(guī)模的樹型分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)镃SMA/CA算法主要應(yīng)用于競(jìng)爭(zhēng)訪問時(shí)段（CAP），這里不考慮非競(jìng)爭(zhēng)訪問時(shí)段（CFP）。本次實(shí)驗(yàn)中，BO范圍在6-10之間，SO范圍在0-2之間，從而使節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處在睡眠狀態(tài)，節(jié)省了能量。

圖1超幀結(jié)構(gòu)

圖2設(shè)備的平均功耗

在該網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)協(xié)調(diào)器有3個(gè)子協(xié)調(diào)器和12個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)深度為4，共包含1560個(gè)節(jié)點(diǎn)[4]。所有節(jié)點(diǎn)都要發(fā)送數(shù)據(jù)，且能通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器，稱為數(shù)據(jù)上行。數(shù)據(jù)傳輸間隔以信標(biāo)幀間隔為單位，大小為1-100。PAN協(xié)調(diào)器每隔100個(gè)信標(biāo)幀間隔廣播一次下行信標(biāo)幀，提醒設(shè)備可以發(fā)送更新的數(shù)據(jù)。在信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中，廣播采用父子節(jié)點(diǎn)間的單播間接地實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用交錯(cuò)的超幀使相鄰簇間的干擾最小化，將連續(xù)時(shí)間離散化，使單位時(shí)間為超幀的長(zhǎng)度。在開始時(shí)，每個(gè)協(xié)調(diào)器都會(huì)執(zhí)行一次被動(dòng)掃描來搜索鄰居設(shè)備和空閑的時(shí)隙，并隨機(jī)選擇一個(gè)空閑時(shí)隙開始，以減少和周圍設(shè)備的沖突碰撞。

采用三個(gè)模型分析網(wǎng)絡(luò)性能：競(jìng)爭(zhēng)模型、MAC層模型和節(jié)點(diǎn)模型。分析CSMA/CA算法中的回退時(shí)間、碰撞和重傳[5]。為簡(jiǎn)化問題，不考慮非競(jìng)爭(zhēng)訪問時(shí)段，在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠A(chǔ)上分析IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[6]。分析發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀、信標(biāo)幀以及網(wǎng)絡(luò)掃描所需的能量和時(shí)間[7]。

3.1設(shè)備的功耗

設(shè)備的平均功耗與上行數(shù)據(jù)傳輸間隔IU的關(guān)系如圖2所示。

其中SO=1，BO取6、8、10。由圖可見，由于接受信標(biāo)幀和發(fā)送信標(biāo)幀的能量隨著信標(biāo)幀和數(shù)據(jù)發(fā)送的間隔增大而減小，設(shè)備的功耗也隨之減小。而隨著信標(biāo)幀發(fā)送間隔的增大，網(wǎng)絡(luò)掃描的能耗隨之顯著增加，這是由于網(wǎng)絡(luò)掃描的能耗與信標(biāo)周期成比例增長(zhǎng)。因此，BO=10時(shí)，設(shè)備的功耗可以比BO=8時(shí)還大。

3.2協(xié)調(diào)器的功耗

在不同的BO和SO下，協(xié)調(diào)器的平均功耗與上行數(shù)據(jù)傳輸間隔的關(guān)系如圖3所示。隨著信標(biāo)和數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間間隔的增大，所需能量減少，協(xié)調(diào)器發(fā)送和接收信標(biāo)的能耗相應(yīng)減少。而隨著SO的增大，相對(duì)的CAP時(shí)段增長(zhǎng)，則協(xié)調(diào)器在CAP的能耗增大。

4結(jié)論

圖3協(xié)調(diào)器的功耗

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也同樣可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且并不局限于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。其中采用的超幀結(jié)構(gòu)和載波監(jiān)聽多路接入/沖突避免（CSMA/CA）的媒體介入方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和協(xié)調(diào)器的節(jié)能有很大作用，研究中需要考慮網(wǎng)絡(luò)中不同部分和不同行為的耗能情況，選擇合適的SO和BO對(duì)控制設(shè)備能耗很重要?？傮w上可知當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸間隔和BO增大，或SO減小時(shí)，設(shè)備和協(xié)調(diào)器的功耗隨之減小。

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作者簡(jiǎn)介：吳璇（1990-），女，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：模式識(shí)別與智能系統(tǒng)。