梁東坡,王 慧

(海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012)

基于ZigBee的無線水信息監(jiān)測系統(tǒng)中MAC協(xié)議研究

梁東坡,王 慧

(海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012)

為了有效提高IEEE802.15.4 MAC協(xié)議的能量有效性，建立IEEE802.15.4時(shí)隙CSMA/CA的Markov分析模型，并且提出一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占空比自適應(yīng)算法。利用NS2仿真軟件，分析了協(xié)議參數(shù)對能耗的影響，特別是根據(jù)提出的算法對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行判定，是否需要改變占空比。仿真結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)性能獲得提升，節(jié)點(diǎn)能耗下降并跟理論分析結(jié)果較吻合。

IEEE802.15.4；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占空比自適應(yīng)算法；Markov分析模型

0 引言

ZigBee協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的無線通信技術(shù)[1-2]，它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，協(xié)調(diào)數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間的相互通信。IEEE802.15.4專為低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WPAN)設(shè)計(jì)，它采用CSMA/CA機(jī)制，相比于很成熟的802.11[5]具有很高的能量有效性。在現(xiàn)在的生產(chǎn)、生活中，ZigBee正得到越來越廣泛運(yùn)用[6]。

在水情監(jiān)測系統(tǒng)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身供電有限，然而卻受地理環(huán)境或者其他氣候變化影響，因此更換電池不便，節(jié)點(diǎn)容易失效。空閑監(jiān)聽、控制開銷、沖突和串音等是MAC能耗的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。近年來，有很多關(guān)于802.15.4的研究，文獻(xiàn)[7]提出增強(qiáng)時(shí)隙馬爾科夫鏈模型，文獻(xiàn)[8]提出動(dòng)態(tài)占空比算法，提高網(wǎng)絡(luò)性能，文獻(xiàn)[9-11]提出了一種新信標(biāo)使能的自適應(yīng)算法。本文提出了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占空比自適應(yīng)算法，并建立在時(shí)隙CSMA/CA下的新馬爾科夫鏈模型，旨在MAC層降低節(jié)點(diǎn)能耗，延長其壽命。

1 IEEE802.15.4 MAC協(xié)議

本文討論的是信標(biāo)使能下時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[12]。N個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[13]。時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制描述如圖1所示。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)很重要的參數(shù)：NB(執(zhí)行發(fā)送任務(wù)的退避指數(shù)，初始值為0)；CW(競爭窗口長度，每次發(fā)送前設(shè)置為2，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道忙時(shí)復(fù)位)；BE(退避指數(shù))。首先，初始化NB和CW(NB=0，CW=2)，BE=2或者根據(jù)電池壽命擴(kuò)展MAC屬性被初始化為BE=min(2，macMinBE)，其中macMinBE是定義的常數(shù)，默認(rèn)值等于3。接著在[0，wi-1]內(nèi)等概率隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)執(zhí)行退避過程，監(jiān)測信道，如果信道忙時(shí)，BE=min(BE+1，aMaxBE)，NB自動(dòng)+1，此時(shí)如果NB>macMaxCSMABackoffs(試圖訪問信道的最大退避次數(shù))，設(shè)備訪問信道失敗，否則設(shè)備進(jìn)入下一個(gè)退避階段。如果信道被偵聽為空閑，CW自動(dòng)遞減1，如果CW減為0，節(jié)點(diǎn)便可在下個(gè)可用時(shí)隙邊界發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 時(shí)隙CSMA/CA機(jī)制描述

2 馬爾科夫模型

圖2 CSMA/CA的Markov模型

若CCA1發(fā)現(xiàn)信道被占用，s(t)加1，新的初始化退避值為p{i,k|i-1,0}=α/Wi,i∈(1,m),k∈(0,Wi-1)；

當(dāng)CCA2監(jiān)測信道忙的時(shí)候，s(t)加1，新的初始化退避值為p{i,k|i-1,-1}=β/Wi,i∈(1,m),k∈(0,Wi-1)；

若CCA2監(jiān)測空閑，此時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，s(t)返回0。一旦進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，G時(shí)隙開始計(jì)數(shù)。一次發(fā)送后，如果還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，選擇初始退避值，否則會進(jìn)入空閑狀態(tài)

這里，q1表示一次發(fā)送后沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的概率。

當(dāng)s(t)達(dá)到BE最大值，CCA1發(fā)現(xiàn)信道占用，則正在發(fā)送的數(shù)據(jù)將被取消，如果發(fā)送隊(duì)列不空，選擇新的退避值，否則進(jìn)入空閑狀態(tài)

同上，s(t)達(dá)到BE最大值，CCA2監(jiān)測結(jié)束，將開始新的退避周期，否則進(jìn)入空閑狀態(tài)。

發(fā)送到空閑再到發(fā)送的概率可是表示為:

q2表示一個(gè)空閑周期沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的概率，通過推導(dǎo)，在隨機(jī)選擇時(shí)隙下的CCA1和CCA2的概率為：

只有在CCA1與CCA2都監(jiān)測信道空閑的時(shí)候，設(shè)備發(fā)送的概率為：

γ=(1-β)τ=(1-pm+1)b0,0；

為了降低能耗，本文在802.15.4中實(shí)現(xiàn)在隨機(jī)退避周期，節(jié)點(diǎn)不監(jiān)聽信道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送1 bit的平均能耗為：

為了獲得通信時(shí)能耗的分析公式，定義EX為發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的平均能耗，ER為接收數(shù)據(jù)時(shí)的平均能耗，Eidle為空閑狀態(tài)的平均能耗，ECCA為CCA檢測的平均能耗，PCCA為執(zhí)行CCA監(jiān)測的概率，PX為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，PL為節(jié)點(diǎn)偵聽信道的概率，Pidle為空閑狀態(tài)概率，n為節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

根據(jù)Markov模型，可以得到：

可以看出，節(jié)點(diǎn)數(shù)目n以及一個(gè)數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率是節(jié)點(diǎn)能耗的關(guān)鍵因素。然而從幀結(jié)構(gòu)分析，占空比對能量有效性起著至關(guān)重要的作用[15]。占空比(DC)=信標(biāo)期間活躍時(shí)間長度(SD)/信標(biāo)周期長度(BI)=2SO-BO。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占空比自適應(yīng)算法

當(dāng)DC占空比設(shè)置得比較低時(shí)，節(jié)點(diǎn)用于信道空閑偵聽、信道資源接入競爭、數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收等操作的超幀活躍期(AP)很小，而節(jié)點(diǎn)休眠于低功耗的非活躍期(IP)卻占很大一部分時(shí)間。節(jié)點(diǎn)的能耗與信息發(fā)送的時(shí)延存在著矛盾關(guān)系，如果DC設(shè)置得過低，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)端到端的時(shí)延很大。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在休眠之前未完成包括其在休眠過程中新加等待處理的操作，都要延遲到下一個(gè)信標(biāo)間隔周期方能開始。因此，如果周期內(nèi)的IP時(shí)間過長，那么這種延遲將會很大。相反，如果DC設(shè)置得比較高，網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延性能將會得到改善，但是可能此時(shí)節(jié)點(diǎn)的大部分時(shí)間處在不必要的空閑偵聽狀態(tài)從而浪費(fèi)大量寶貴的能量。因此，設(shè)置適當(dāng)?shù)腄C值不僅對能耗很關(guān)鍵，同時(shí)還能平衡能耗與時(shí)延的關(guān)系。

對于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其在發(fā)送或接收信息模式能耗是處于休眠模式的幾十倍，所以可以在以下情況下考慮讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式：

① 當(dāng)前CAP結(jié)束前，MAC成功地將待發(fā)數(shù)據(jù)幀傳輸至協(xié)調(diào)器；

② 當(dāng)CSMA/CA算法參數(shù)NB(MAC為了發(fā)送數(shù)據(jù)幀而已嘗試退避的次數(shù))達(dá)到協(xié)議要求的上限值，而MAC依然無法接入信道；

③ MAC估計(jì)出當(dāng)前CAP剩余時(shí)隙不足以完成CSMA/CA傳輸數(shù)據(jù)幀所需的剩余步驟[4]。

因?yàn)橐陨显颍紤]水情監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，本文提出一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占空比自適應(yīng)算法，為了調(diào)整占空比DC，保持BI不變，需要改變活躍周期。無論什么時(shí)候新數(shù)據(jù)到達(dá)消息序列，節(jié)點(diǎn)通過查看數(shù)據(jù)的延遲需要來檢查數(shù)據(jù)的緊要性，如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)很緊要?jiǎng)t調(diào)整活躍期使之能成功發(fā)送數(shù)據(jù)，然后通過一個(gè)管理數(shù)據(jù)表Tab，不管這個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否導(dǎo)致占空比的改變，保留發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。這個(gè)管理表Tab用來指示終端節(jié)點(diǎn)的MAC狀態(tài)[16]。利用占空比緩沖和延遲隊(duì)列來設(shè)置。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)有個(gè)有限的隊(duì)列大小，占空比緩沖能有效防止數(shù)據(jù)包丟失。假設(shè)延遲隊(duì)列是指數(shù)據(jù)包從到達(dá)到發(fā)送。它暗示了節(jié)點(diǎn)是否在給定的活躍期經(jīng)歷了競爭。

同時(shí)，節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備將活躍期的調(diào)整向協(xié)調(diào)器發(fā)送請求。這個(gè)請求附加在下一幀中。這個(gè)請求信息包括數(shù)據(jù)隊(duì)列的數(shù)目以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要的延時(shí)。收到請求信息的協(xié)調(diào)器，將請求信息保存在管理表并且通過一個(gè)確認(rèn)幀反饋允許，這個(gè)允許信息包括一個(gè)允許比特與在請求信息中一樣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)數(shù)目。收到確認(rèn)幀的節(jié)點(diǎn)檢查協(xié)調(diào)器是否允許調(diào)整活躍期，如果允許，調(diào)整節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的活躍期。

這個(gè)調(diào)整通過節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的裁決開關(guān)時(shí)間(裁決開關(guān)時(shí)間指的是從活躍模式到非活躍模式的時(shí)間)。節(jié)點(diǎn)從活躍模式到休眠模式的狀態(tài)切換，也對節(jié)點(diǎn)的能耗有著顯著的影響，避免頻繁的狀態(tài)切換對降低能耗起著很大的作用[17]。

當(dāng)滿足下面的情況，關(guān)閉活躍到非活躍模式：

① 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的管理表沒有登記；② 在信標(biāo)幀定義的活躍期已經(jīng)過去。

條件①表示，消息隊(duì)列中已經(jīng)沒有很緊要的信息需要開關(guān)活躍到非活躍模式。條件②表示，調(diào)整活躍周期的時(shí)間應(yīng)該長于信標(biāo)幀中預(yù)先定義的。因?yàn)橄㈥?duì)列的條件不同，節(jié)點(diǎn)的調(diào)整活躍期可以不同。但是，從睡眠模式到活躍模式對所有節(jié)點(diǎn)都是相同的。

導(dǎo)致活躍周期改變的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的條件是延遲邊界應(yīng)該早于下一信標(biāo)發(fā)送的時(shí)間，用函數(shù)表示為Ddeadline≤Tbeacon+aBaseSuperframeDuration×2BO，滿足等式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如果在下一信標(biāo)幀到來前還沒發(fā)送出去，那么數(shù)據(jù)將被丟棄[8]。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證算法，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真時(shí)，首先預(yù)設(shè)置參數(shù)值，數(shù)據(jù)幀載荷=100 Byte，比特率=250 KB/s，MAC頭部=13 Byte，PHY頭部=6 Byte，睡眠功率=144 nW，休閑功率=712 μW，發(fā)送功率=32.32 mW。設(shè)置好這些參數(shù)值后，針對功率消耗和吞吐率2個(gè)方面，分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1 功率消耗分析

本文的占空比DC由BO和SO共同決定，利用NS2仿真時(shí)取BO=6，SO=4，如圖3所示。從圖3中可以看出，單位節(jié)點(diǎn)平均消耗隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而減小，那是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)目增加，競爭接入的成功率下降了，多余的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)目與節(jié)點(diǎn)平均消耗關(guān)系對比

4.2 吞吐率分析

不同負(fù)載下的不同吞吐量如圖4所示。從圖4中可以看出，在6 ～7 kbps，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量沒有增加，這是因?yàn)閼?yīng)用層的負(fù)載與MAC層的不一樣，應(yīng)用層實(shí)際的負(fù)載增加，但MAC層的實(shí)際負(fù)載卻不會增加。

通過功率消耗和吞吐率仿真結(jié)果，可以明顯得出，本文所提出的算法使網(wǎng)絡(luò)性能獲得提升，節(jié)點(diǎn)能耗下降，且跟理論分析結(jié)果較吻合。

圖4 負(fù)載與吞吐量關(guān)系對比

5 結(jié)束語

在傳統(tǒng)算法802.15.4中所有節(jié)點(diǎn)的占空比都是一樣的，如果某些節(jié)點(diǎn)不需要調(diào)整占空比而被迫調(diào)整占空比，會增加額外的能耗，使節(jié)點(diǎn)能耗上升，不利于網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定。本文結(jié)合Markov模型提出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占空比自適應(yīng)算法可以很好地解決這個(gè)問題，能夠靈活地調(diào)整需要調(diào)整節(jié)點(diǎn)的占空比，并且增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低丟包率和能耗，在很大程度上改善了無線水信息監(jiān)控系統(tǒng)的性能，具有很好的應(yīng)用價(jià)值，后續(xù)將對硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

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梁東坡 男，(1986—)，碩士，助理講師。主要研究方向：衛(wèi)星通信。

王 慧 女，(1987—)，碩士，講師。主要研究方向：衛(wèi)星通信。

The Study of the MAC Based on ZigBee Wireless Hydro-information Monitor System

LIANG Dong-po,WANG Hui

(BengbuNavalSchoolforNon-commissionedOfficers,BengbuAnhui233012,China)

To improve the energy-efficiency of IEEE802.15.4 MAC,a Markov-based analytical model is set for IEEE802.15.4 slotted CSMA/CA.And a duty cycle adaptation to real-time data algorithm is proposed.The impact of protocol parameters is analyzed by NS2.Moreover,the need to change the Duty Cycle is discussed by determining the state of node based on the proposed algorithm.It is showed that the network performance could be improved.And the decrease of the energy consumption also matches with the simulations.

IEEE802.15.4;duty cycle adaptation to real-time data algorithm;Markov-based analytical model

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.02

梁東坡,王 慧.基于ZigBee的無線水信息監(jiān)測系統(tǒng)中MAC協(xié)議研究[J].無線電工程,2017,47(5):6-9,36.[LIANG Dongpo,WANG Hui.The Study of the MAC Based on ZigBee Wireless Hydro-information Monitor System[J].Radio Engineering,2017,47(5):6-9,36.]

2017-02-07

TP30

A

1003-3106(2017)05-0006-04