陳 亮，黃德元，江 明?

基于OPNET的IEEE 802.15.4協(xié)議實(shí)時(shí)性能優(yōu)化與分析

陳 亮1，黃德元2，江 明1?

（1.安徽工程大學(xué)安徽省檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000；2.蕪湖奇瑞科技有限公司，安徽蕪湖 241000）

針對(duì)IEEE 802.15.4協(xié)議存在的退避指數(shù)范圍較窄、缺乏優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)和時(shí)隙分配算法粗糙的不足，融合了基于碰撞感知的二進(jìn)制退避算法和優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)，提出一種基于時(shí)間敏感的時(shí)隙分配算法，用以降低時(shí)延、提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性和提高時(shí)隙帶寬利用率.最終以汽車傳感網(wǎng)為應(yīng)用對(duì)象，在OPNET中驗(yàn)證了所提出的融合改進(jìn)型協(xié)議較原有協(xié)議在實(shí)時(shí)性能等方面的優(yōu)越性.

退避指數(shù)，時(shí)隙分配，IEEE 802.15.4，實(shí)時(shí)性，OPNET

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)由于其在功耗、成本、復(fù)雜度等方面的突出表現(xiàn)，自2003年被提出隨即廣泛引用于各個(gè)領(lǐng)域，例如在WSN領(lǐng)域使用該協(xié)議作為傳輸通信標(biāo)準(zhǔn).然而隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、可靠傳輸、安全性等方面的要求越來(lái)越嚴(yán)格，勢(shì)必影響該協(xié)議的應(yīng)用推廣.很多先驅(qū)者通過(guò)理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證對(duì)IEEE802.15.4協(xié)議做了較全面的性能評(píng)估.分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)［1］，IEEE802.15.4協(xié)議在實(shí)時(shí)性和可靠性等方面并不能保證很好的服務(wù)保障.因此就IEEE802.15.4協(xié)議本身的特點(diǎn)和局限性，很多改進(jìn)型協(xié)議被提出，這些改進(jìn)都具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義，并在一些特定的場(chǎng)景中得到了驗(yàn)證.

Sarker等提出了一種Urgency-Based MAC協(xié)議，主要對(duì)醫(yī)院患者的監(jiān)護(hù)中的各種人體健康參數(shù)劃分了優(yōu)先級(jí)，分為緊急和非緊急兩種，通過(guò)將非緊急數(shù)據(jù)的重傳次數(shù)減少到零的措施來(lái)保證緊急數(shù)據(jù)的有效實(shí)時(shí)傳輸，具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義.Moghaddam等在區(qū)分服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)融入擁塞控制策略，又進(jìn)一步改善了醫(yī)療通信的實(shí)時(shí)性，可以運(yùn)用到病人和老人重要生理參數(shù)監(jiān)測(cè)當(dāng)中.還有學(xué)者就CSMA/CA機(jī)制提出了許多改進(jìn)性MAC協(xié)議.例如Baz等就低速率數(shù)據(jù)碰撞和功耗問(wèn)題，將數(shù)據(jù)劃分為時(shí)間幀和選擇幀數(shù)據(jù)分別對(duì)待傳輸.Huang等在IEEE802.15.4的自由競(jìng)爭(zhēng)周期提出基于簇的時(shí)隙分配算法，確保了每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)不需發(fā)送請(qǐng)求就可以獲得信道使用權(quán)，降低了時(shí)延和節(jié)點(diǎn)能耗.Bharat［2］等提出一種基于隊(duì)列長(zhǎng)度的時(shí)隙分配機(jī)制，提高了信道利用率，兼顧了信號(hào)的不確定性.蔣［3］等就標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA機(jī)制的不足，提出一種基于動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的低功耗退避算法，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)固定的環(huán)境中可以在保證低功耗的前提下提高實(shí)時(shí)性.

綜上所述，目前仍存在應(yīng)用環(huán)境下不同服務(wù)的區(qū)分對(duì)待問(wèn)題、實(shí)時(shí)通信的自適應(yīng)問(wèn)題以及高度實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)資源之間的平衡問(wèn)題等，復(fù)雜環(huán)境下的高度實(shí)時(shí)高效傳輸問(wèn)題仍未圓滿解決，仍有待進(jìn)一步探索和研究.本文就IEEE802.15.4協(xié)議通過(guò)融合基于碰撞感知的二進(jìn)制退避算法和優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)，提出一種基于時(shí)間敏感的時(shí)隙分配算法，進(jìn)而展開了優(yōu)化改進(jìn)，目的是降低數(shù)據(jù)沖突，提高實(shí)時(shí)傳輸性能，同時(shí)兼顧其他保障網(wǎng)絡(luò)性能.

1　協(xié)議本身不足分析

由于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)提出時(shí)的背景限制，使其應(yīng)用至今逐漸凸顯出不足之處，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）CSMA/CA算法中二進(jìn)制退避算法的退避指數(shù)BE可設(shè)置的范圍很窄.若BE值設(shè)置得過(guò)大，將導(dǎo)致有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)需要花更多的時(shí)間去競(jìng)爭(zhēng)成功，從而獲得傳輸?shù)臋?quán)利.而更多的等待時(shí)間意味著更高的能耗，同時(shí)也將降低信道利用率.若BE值設(shè)置得過(guò)小，則會(huì)增加在同一時(shí)刻兩個(gè)及兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)使用同一退避時(shí)隙的可能性，毫無(wú)疑問(wèn)這樣將增加信道競(jìng)爭(zhēng)碰撞的次數(shù)，也將間接得導(dǎo)致信道利用率的降低.此外，這種退避機(jī)制也沒(méi)有兼顧當(dāng)前信道的使用情況.若當(dāng)前信道碰撞率較高或較低，而設(shè)置的BE較小或較大，無(wú)疑這兩種情況下都會(huì)降低信道利用率.相反，若當(dāng)前信道碰撞率較高或較低，而設(shè)置的BE較大或較小，則一定程度上會(huì)提高信道利用率.

（2）標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議公平地對(duì)待每一個(gè)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，意味著所有的數(shù)據(jù)包都需要通過(guò)公平競(jìng)爭(zhēng)來(lái)獲取信道資格.這種公平背后透著教條死板.在一個(gè)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中，一些報(bào)警信號(hào)需要被及時(shí)被傳輸?shù)娇刂浦行囊员闫渥龀鲅杆贈(zèng)Q策，否則將導(dǎo)致不可估量的損失.例如一些漏洞提醒、超閾值信息報(bào)警及外界惡意侵入等，這些信息較一些周期信息理所應(yīng)當(dāng)被優(yōu)先傳輸.因此，引入優(yōu)先級(jí)機(jī)制具有重大現(xiàn)實(shí)意義，不僅可以維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也可降低競(jìng)爭(zhēng)信道次數(shù)，減少能耗的同時(shí)降低時(shí)延.

（3）由于分配的時(shí)隙不能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享，因此無(wú)法充分利用已分配的時(shí)隙帶寬，這是GTS分配機(jī)制與生俱來(lái)的缺陷.比如當(dāng)一個(gè)時(shí)隙的帶寬利用率最初限定在0～0.5之間，那就意味著一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)最多只能使用50%的帶寬.因?yàn)橐粋€(gè)時(shí)隙不能同時(shí)被其他節(jié)點(diǎn)共享，就意味著要白白浪費(fèi)掉另外50%以上的帶寬資源.這里涉及到的有關(guān)帶寬利用率計(jì)算可自行查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，不再論證贅述.

2　協(xié)議改進(jìn)理論論證

針對(duì)上面提到標(biāo)準(zhǔn)自身的不足，將一一給出解決的策略.

（1）針對(duì)IEEE 802.15.4協(xié)議本身二進(jìn)制退避算法的缺陷，特別引入基于碰撞感知的退避算法［4］，著重解決BE指數(shù)設(shè)置區(qū)間范圍小的不足，同時(shí)考慮到當(dāng)前信道的實(shí)際狀況.

在改進(jìn)的退避算法中，引入?yún)?shù)TBP，max和λ，分別表示最大退避周期和一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，它們分別與最大退避指數(shù)PBE，max和碰撞率Pcoll有關(guān)，Pcoll被初始化為0.5.為了使退避周期的長(zhǎng)度可控，將退避周期區(qū)間限制在0～TBP，max×λ，這里λ∈［0，1］，它隨著Pcoll的增大而呈指數(shù)遞增.當(dāng)Pcoll足夠大的時(shí)候，說(shuō)明當(dāng)前信道狀況競(jìng)爭(zhēng)激烈，狀況不好，退避周期TBP也相應(yīng)較大，這樣反過(guò)來(lái)可以降低碰撞率；當(dāng)Pcoll較小的時(shí)候，說(shuō)明當(dāng)前信道狀況良好，退避周期TBP也隨之較小，可以增加信道利用率.這里為了簡(jiǎn)化算法的復(fù)雜度，對(duì)碰撞率的計(jì)算采用簡(jiǎn)要的統(tǒng)計(jì)平均計(jì)算，被限制在某個(gè)具體的時(shí)段里來(lái)進(jìn)行，并且忽視了之前碰撞率的影響.相關(guān)的公式計(jì)算如下［4］：

（2）針對(duì)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中沒(méi)有對(duì)各種需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃分優(yōu)先級(jí)的不足，特別引入?yún)^(qū)分服務(wù)的優(yōu)先級(jí)機(jī)制［5］.

不同的數(shù)據(jù)有著不同的重要程度，一些攜帶重要系統(tǒng)信息的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)比普通周期采樣信息優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)到信道的使用權(quán).因此，應(yīng)當(dāng)允許一些可以發(fā)送報(bào)警信號(hào)的節(jié)點(diǎn)較一般節(jié)點(diǎn)可以優(yōu)先發(fā)送其數(shù)據(jù).

引入的區(qū)分服務(wù)的優(yōu)先級(jí)機(jī)制中涉及退避次數(shù)PBE和CCA檢測(cè)次數(shù)LCW.較小的PBE可以縮短數(shù)據(jù)發(fā)送前等待的時(shí)間，同時(shí)也更有可能競(jìng)爭(zhēng)到信道使用權(quán)和改善網(wǎng)絡(luò)吞吐量.在標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4中，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要執(zhí)行至少兩次CCA，目的是保證ACK信號(hào)的順利傳輸.一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的CCA次數(shù)要比優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)少，因此可以用LCW來(lái)表征節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的高低.這樣做的目的是為了讓優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和穩(wěn)定性.

區(qū)別與標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4中在初始化時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置相同的LCW，事先為不同的數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)置一組優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)｛level_0，level_1，…，level_L｝，優(yōu)先級(jí)依次遞減.

（3）對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4時(shí)隙帶寬利用率不高的問(wèn)題，需要解決的是讓沒(méi)有正在傳輸?shù)钠渌?jié)點(diǎn)也能獲取時(shí)隙的使用權(quán).為此提出一種時(shí)間敏感的時(shí)隙分配策略［6］，以汽車傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)詳細(xì)介紹.

在j段馬路上，RUj表示其周邊安置的中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，有N輛車會(huì)向RUj發(fā)送數(shù)據(jù).假設(shè)在t時(shí)刻，在RUj廣播范圍的車輛數(shù)目是Nj，t，車輛用Vj，i，t表示，車速用Sj，i，t表示.在分析之前，先做以下假設(shè)：

假設(shè)1：道路兩邊無(wú)縫安置著中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，相鄰協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行信息交互；

假設(shè)2：在t時(shí)刻，Nj，t、Sj，i，t的值可以被最近的RUj感知，并能通過(guò)無(wú)線或者有線的方式共享給附近的RU［6］.s

要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)出一種有效地讓車輛在動(dòng)態(tài)行駛過(guò)程中發(fā)送的數(shù)據(jù)能被就近RUs接收到的時(shí)隙配置策略.在已知Nj，t、Sj，i，t和RUj的廣播范圍Rj后，應(yīng)滿足以下約束［7］：

式中，Dj，i表示第i輛車與RUj之間的傳播時(shí)延，Di為最大時(shí)延上限；rj，i表征車i發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)RUj的速率，GCj表征RUj預(yù)設(shè)的最大接收能力上限.因?yàn)槠囋谛旭傄苿?dòng)，因此需要考慮中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的廣播范圍.然而Dj，i的上限應(yīng)該取Di和TDj，i，這里TDj，i表示路邊中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在其廣播范圍Rj內(nèi)監(jiān)測(cè)到車i所花費(fèi)的最大時(shí)間，其計(jì)算公式為［7］：

考慮到一種特殊情況：假設(shè)RUs間通訊鏈接可靠，車i在TDj，i時(shí)限內(nèi)不能完成向RUj的數(shù)據(jù)發(fā)送，則需要把數(shù)據(jù)發(fā)送給就近中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，而通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸才能把車i信息發(fā)送給RUj，無(wú)疑這樣將增加動(dòng)態(tài)調(diào)度的復(fù)雜度，并不是設(shè)計(jì)的初衷.

文獻(xiàn)［8］已經(jīng)證明在車輛自由行使?fàn)顟B(tài)，車速服從正態(tài)分布.因此約束C 3在這里就體現(xiàn)了在高速行使的車輛其車速服從一均值為μ、方差為σ的正態(tài)分布.由于在正態(tài)分布中，車速落在（μ-3σ，μ+3σ）區(qū)間占99.7%，因此可近似的認(rèn)為Vmin=μ-3σ，Vmax=μ+3σ

由于可行的調(diào)度策略只能在中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的廣播范圍內(nèi)才能被檢驗(yàn)，為了后續(xù)討論和算法簡(jiǎn)化，將Dj，i，max用Di，max代替，即忽略路段的差異.

經(jīng)過(guò)以上的假設(shè)論證分析，接下來(lái)主要問(wèn)題集中在如何設(shè)計(jì)一個(gè)合適的調(diào)度器，從而能夠有效地規(guī)劃車輛信息訪問(wèn)序列和訪問(wèn)機(jī)率.對(duì)于汽車傳感網(wǎng)來(lái)說(shuō)，發(fā)送至RUs的數(shù)據(jù)包速率約束應(yīng)當(dāng)首先被確定下來(lái)，并能反映不同的應(yīng)用對(duì)象要求.也就意味著在一個(gè)有N輛車的場(chǎng)景里，包的到達(dá)速率可以超過(guò)所有包到達(dá)速率的平均數(shù)（Rk/N），但仍然小于Rk.傳統(tǒng)的時(shí)隙分配所應(yīng)用的場(chǎng)景都是靜態(tài)的，節(jié)點(diǎn)是不能移動(dòng)的，因此研究動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景別具一格.

這里借鑒文獻(xiàn)［9］中提到的加權(quán)輪詢調(diào)度策略（WRR，Weighted Round Robin）.WRR調(diào)度算法按比例將時(shí)隙分配給數(shù)據(jù)包，此算法顯得更加簡(jiǎn)單有效，只是增加了權(quán)重的抉擇，能區(qū)分對(duì)待不同優(yōu)先級(jí)服務(wù)，同時(shí)取得了較高的帶寬利用率.然而在汽車傳感網(wǎng)中，由于汽車具有不同的前進(jìn)速度、不同的時(shí)延要求和節(jié)點(diǎn)探測(cè)到汽車進(jìn)入廣播范圍的探測(cè)時(shí)間等諸多元素，因此若只依據(jù)數(shù)據(jù)包的到達(dá)速率來(lái)分配時(shí)隙的權(quán)重將顯得不合時(shí)宜.因此提出一種基于時(shí)間敏感的時(shí)隙分配算法，應(yīng)用于汽車傳感網(wǎng)中.

該時(shí)隙分配調(diào)度算法偽代碼如下所示：

輸入包括一個(gè)向量和信標(biāo)中可分配的最大GTS數(shù)目Gmax.該向量是一組車i向路邊中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的本身信息，包含突發(fā)數(shù)據(jù)包大小bi、最大時(shí)延上限D(zhuǎn)i、包到達(dá)RUj的速率rj，i以及車i的行駛速度；Gmax表示信標(biāo)內(nèi)可分配的最大時(shí)隙數(shù)，由BO和SO共同決定.在充分考慮數(shù)據(jù)包的到達(dá)速率、實(shí)驗(yàn)要求和時(shí)隙帶寬利用率等因素后，輸出是車輛與RUs信息交互的調(diào)度表.整個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)單概括為：在給定的汽車傳感網(wǎng)場(chǎng)景中，事先設(shè)計(jì)好的調(diào)度器被喚醒后，會(huì)根據(jù)車輛發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用時(shí)隙分配方法來(lái)進(jìn)行空余時(shí)隙的分配.需要特別指出的是，這里的時(shí)隙分配算法只是有關(guān)空余時(shí)隙分配機(jī)制部分的，是獨(dú)立于2（1）、2（2）部分論述的內(nèi)容.

3　仿真驗(yàn)證與分析

仿真對(duì)象是汽車傳感網(wǎng)，選用多個(gè)動(dòng)態(tài)仿真節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)處在RUj的廣播范圍內(nèi)，主要仿真參數(shù)配置詳如表1所示.

表1　仿真參數(shù)配置

仿真結(jié)果通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4整體性能，來(lái)驗(yàn)證所提出改性協(xié)議的正確性.所參照的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用端到端時(shí)延（End to end Delay）、有效數(shù)據(jù)率（Effective data rate）和丟包率（packet loss rate），橫坐標(biāo)為約定范圍內(nèi)車輛的數(shù)目.數(shù)據(jù)由OPNET每次仿真得到，當(dāng)仿真運(yùn)行10 min后，將穩(wěn)定的有效數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行圖形繪制，最終仿真結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示.

由仿真結(jié)果可知，在一定的車輛數(shù)目?jī)?nèi)，隨著車輛的增加，改進(jìn)之后的協(xié)議性能較原先標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有效降低了端到端時(shí)延，提高了有效數(shù)據(jù)率，同時(shí)有效降低了丟包率.

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)融合基于碰撞感知的二進(jìn)制退避算法和優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)機(jī)制，提出一種基于時(shí)間敏感的時(shí)隙分配算法，用以降低時(shí)延、提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性和提高時(shí)隙帶寬利用率.分別克服了IEEE 802.15.4協(xié)議存在的退避指數(shù)范圍較窄、缺乏優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)和時(shí)隙分配算法粗糙的不足，并一一從理論上論證了所提出改進(jìn)措施的正確性.最終以汽車傳感網(wǎng)為應(yīng)用對(duì)象，在OPNET中驗(yàn)證了所提出融合改進(jìn)型協(xié)議在實(shí)時(shí)性能等方面的優(yōu)越性.

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Real-time performance optimization and analyses of IEEE 802.15.4 protocol based on OPNET

CHEN Liang1，HUANG De-yuan2，JIANG Ming1?
（1.Key Laboratory of Detecting Technology and Energy Conservation Equipment of Anhui Province，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China 2.Wuhu Chery Technology Co.，Ltd，Wuhu 241000，China）

Aiming at the insufficiency：relatively narrow back-off index range，treating every event fairly and rough time slot allocation algorithm is rough of IEEE 802.15.4 protocol，a priority-based adaptive service-differentiation scheme and a collision-aware back-off mechanism are fused，and then a delay sensitive time slot scheduling is proposed in modified protocol to strengthen the adaptive performance of the system，lower the delay and advance the bandwidth utilization respectively.And every proposed scheme is proved theoretically.Finally，the advantage in real-time performance of the proposed modified protocol compared with the original is verified in OPNET by applying it to vehicle wireless sensor network.

back-off index；time slot allocation；IEEE 802.15.4；real-time performance；OPNET

TP393.1

A

1672-2477（2015）02-0064-05

2015-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61271377）；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（KJ2012 A035）

陳 亮（1990-），男，安徽池州人，碩士研究生.

江 明（1965-），男，安徽蕪湖人，教授，碩導(dǎo).