李鐵良，于紀言，孫宇嘉，朱立坤

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210000）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是隨著微機電系統(tǒng)，微處理器，微型傳感器等技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種低功耗新型無線技術(shù)，是集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理為一體的多功能無線網(wǎng)絡(luò)。其中基于IEEE802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù)具有很高的實用性優(yōu)點，使得它在國防軍事、自然災害和健康生活上都有很廣泛的應用[1-6]。

傳統(tǒng)ZigBee節(jié)點采用非時隙CSMA／CA隨機接入機制的MAC層協(xié)議，其缺點在于入網(wǎng)連接耗時過長，很難滿足應急環(huán)境下孤立節(jié)點快速入網(wǎng)以保證實時通信要求。大部分學者致力于從協(xié)議層上提出改進方法，降低整個網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時延。如陳珊珊[7]等提出的集中式信道分配算法，Hao[8-9]等人提出的分布式信道分配算法，Saifullah[10]提出了基于節(jié)點的和基于鏈路的分布式信道分配算法Dis-Link，李[11]等人提出了包括頻譜感知調(diào)度與信道接入競爭兩部分的低延遲MAC層頻譜接入方案。同時一部分學者從應用層協(xié)議出發(fā)，如賈[12]等人提出一種基于代理節(jié)點的ZigBee地址分配算法，植[13]等人提出通過選擇和交換合適的父節(jié)點來改善孤立節(jié)點入網(wǎng)算法，從而相對降低孤立節(jié)點入網(wǎng)時間。不同于上述兩種思路，部分學者從組網(wǎng)機制的角度出發(fā)改善組網(wǎng)延時。如孟[14]等人分析組網(wǎng)連接過程，在網(wǎng)絡(luò)部署前對每個節(jié)點進行配置，通過縮減為單信道，并采用預分配地址縮短關(guān)聯(lián)接入時間，但同時也造成信道干擾問題。文獻[15]通過減少冗余原語提高應答時間，進而縮短采用信標網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)延遲。文獻[16]為了讓移動節(jié)點快速入網(wǎng)，直接刪除了802.15.4MAC層的關(guān)聯(lián)過程，只能對于相應環(huán)境下有一定作用。然而針對應急環(huán)境下，如戰(zhàn)場、火災等情況，由于大量路由節(jié)點被損毀、能量不足和地址分配不均等其他問題，產(chǎn)生大量孤立節(jié)點，其入網(wǎng)耗時過長，造成局部信息不能及時傳遞方面的問題研究涉及較少。因此本文綜合分析了非時隙CSMA/CA隨機接入機制，針對孤立節(jié)點入網(wǎng)耗時問題，從應用層方面提出一種新的孤立節(jié)點快速入網(wǎng)策略，簡化入網(wǎng)機制，減少關(guān)聯(lián)地址分配沖突，縮短組網(wǎng)時間，以滿足應急環(huán)境的通信要求。

1 ZigBee孤立節(jié)點分析

1.1 孤立節(jié)點產(chǎn)生原因

基于ZigBee技術(shù)分布式地址分配機制[17]缺陷，孤立節(jié)點不可避免，主要原因有兩個：1）節(jié)點自身原因：由于節(jié)點能量不足、自毀需要以及通信干擾等情況導致一些設(shè)備成為孤立節(jié)點；2）地址分配空間不足：父節(jié)點達到最大網(wǎng)絡(luò)深度Lm、父節(jié)點的子設(shè)備總數(shù)達到最大值Cm或者子路由總數(shù)達到最大值Rm。

1.2 孤立節(jié)點入網(wǎng)流程分析

組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)后產(chǎn)生的孤立節(jié)點，當父節(jié)點損毀時，重新入網(wǎng)的主要方式是通過MAC層關(guān)聯(lián)接入。首先節(jié)點進行孤立狀態(tài)判斷，用于判斷自身是否是孤立節(jié)點，當子設(shè)備連續(xù)未收到信標幀的次數(shù)達到aMaxLostBeacons（IEEE802.15.4標準定義為常量值4）或者多次與父設(shè)備通信失敗，則判斷自身為孤立節(jié)點。其次進行信道掃描，選擇一個干擾較少的信道。然后進行關(guān)聯(lián)接入，發(fā)送入網(wǎng)請求，父節(jié)點對其進行認證和編址并應答入網(wǎng)申請形成父子關(guān)系。其中孤立狀態(tài)判斷、主動信道掃描、關(guān)聯(lián)接入機制為IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)提供了基本的自修復和自組織能力。

2 孤立節(jié)點入網(wǎng)耗時分析

2.1 孤立節(jié)點入網(wǎng)原語圖分析

經(jīng)過分析孤立點入網(wǎng)流程可知，孤立點入網(wǎng)過程主要包括孤立狀態(tài)判斷、主動信道掃描、關(guān)聯(lián)接入3個階段，如圖1所示。

圖1 孤立節(jié)點入網(wǎng)原語圖

2.2 孤立狀態(tài)判斷耗時分析

在信標網(wǎng)絡(luò)中，父節(jié)點每隔一段時間廣播一次，子節(jié)點收到信標幀表示父子關(guān)系存在。在非信標網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點通過每隔一段時間與父節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信保持聯(lián)絡(luò)維持父子關(guān)系。傳感器節(jié)點較多時，為了節(jié)省能量，一般采用非信標模式。網(wǎng)絡(luò)形成后，子節(jié)點每間隔Tspan向父節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，假設(shè)兩次收不到父設(shè)備的ACK應答就判斷自身為孤立節(jié)點。為了有效傳遞數(shù)據(jù)通常間隔Tspan取值最小為1 s，由以上分析可知孤立狀態(tài)判斷所需時間：

2.3 信道掃描時間分析

節(jié)點重新申請入網(wǎng)時，通過主動信道掃描，發(fā)現(xiàn)通信范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)器，對于每一個邏輯信道，子節(jié)點先進行主動信道掃描，然后等待描述個域網(wǎng)的信標幀，等待最長時間為Twait在這段時間如果收到信標幀直接進入關(guān)聯(lián)過程，如果沒有收到信標幀則掃描下一信道。IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定單信道掃描時間[18]：

式中：aBaseSuperframeDuration為MAC常量，換算成時間為15.36ms；ScanDuration取值范圍為[0，14]，默認值為3。計算可得單信道掃描時間約為：Twait=138.24ms

IEEE802.15.4協(xié)議定義2.4G和900 MHz兩個工作頻段。在2.4G頻段有16個信道，當所有信道掃描一遍則耗時T2.4G=Twait×16=2.2 s；900 MHz頻段有10個信道，同樣掃描一遍則耗時：T900 MHz=Twait×10=1.38 s。

2.4 關(guān)聯(lián)接入時間分析

孤立節(jié)點經(jīng)過主動信道掃描得到網(wǎng)絡(luò)信息，向父節(jié)點發(fā)出連接請求。父節(jié)點接收到請求后回復ACK應答幀，同時自身在最長aResponseWaitTime時間內(nèi)決定是否同意連接，并使用間接發(fā)送方法發(fā)送到請求連接的子設(shè)備。由于采用的是非信標模式，孤立節(jié)點仍需等待aResponseWaitTime時間后發(fā)送數(shù)據(jù)請求，然后向父節(jié)點提取連接響應命令，成功則建立父子關(guān)系，失敗則重新入網(wǎng)。經(jīng)過分析，關(guān)聯(lián)接入時間主要浪費在等待響應命令的時間間隔aRsponseWaitTime上（標準規(guī)定的aRsponseWaitTime是 32個 aBaseSuperframeDuration）。因此 aRsponse?WaitTime=32×15.36 ms=491.52 ms。

3 改進孤立節(jié)點入網(wǎng)策略

3.1 改進后孤立節(jié)點入網(wǎng)原語圖分析

通過分析孤立節(jié)點入網(wǎng)耗時情況，本文針對性的提出一種改進策略，改進后孤立節(jié)點入網(wǎng)流程如圖2所示。

圖2 改進后孤立節(jié)點入網(wǎng)原語圖

3.2 省略孤立狀態(tài)判斷

由上文可知，等待孤立點自身判斷是否丟失父節(jié)點耗時略大于2 s，耗時過長?？梢酝ㄟ^父節(jié)點提前退網(wǎng)策略強制清除子節(jié)點相關(guān)注冊信息。如惡劣環(huán)境下，由于父節(jié)點自身能量不足或者戰(zhàn)場強制報廢等情況，可以通過設(shè)定閥值在父節(jié)點報廢前強制將子節(jié)點退網(wǎng)。子節(jié)點收到退網(wǎng)信標幀后，直接判斷自己為孤立節(jié)點并開始主動信道掃描，重新加入網(wǎng)絡(luò)。

3.3 縮短信道掃描過程

文獻[14，18]已經(jīng)提出了縮短信道掃描過程。首先，由于全部信道掃描耗時過長，在快速組網(wǎng)應用條件下，可以直接指定掃描某一信道，節(jié)省大量信道掃描時間。另外根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)，默認ScanDuration取值為3，部分學者提出將其減少為2，單信道掃描周期將從138.24 ms降低到76.8 ms，可節(jié)省61.44 ms。但同時這兩方面也導致信道干擾以及單信道掃描時間過短等缺點，影響組網(wǎng)性能，文中不予以考慮。

3.4 降低關(guān)聯(lián)沖突

通過分析，關(guān)聯(lián)接入過程，理論上節(jié)點成功連接一次需等待491.52 ms，實際由于地址分配空間不足和原語碰撞造成地址分配失敗，子節(jié)點需要重新入網(wǎng)，耗時明顯。其中，由于采用的CSMA/CA協(xié)議，原語碰撞沖突較低以及同時入網(wǎng)的孤立點數(shù)目相對有限。造成孤立點關(guān)聯(lián)沖突主要原因是父節(jié)點地址分配空間不足。部分學者提出簡化關(guān)聯(lián)過程，直接給予節(jié)點固定地址。顯然，這種方法不適用于失去父節(jié)點的孤立節(jié)點重新入網(wǎng)。所以根據(jù)上文分析，為了降低關(guān)聯(lián)沖突，通過分析分布式地址分配機制，讓父節(jié)點在線讀取自身地址分配空間以及子節(jié)點RSSI強度，并根據(jù)這兩類信息，設(shè)定閥值，強制子節(jié)點退網(wǎng)，留出一定地址空間，降低地址分配沖突。流程圖如圖3所示。

如圖3所示，父節(jié)點首先讀取自身子節(jié)點總數(shù)C1，將其與Cm比較，判斷是否存在可分配地址。然后讀取自身網(wǎng)絡(luò)深度d1，將d1與Lm比較，判斷自身網(wǎng)絡(luò)深度：如果自身網(wǎng)絡(luò)深度處于最后一層，首先強退距離最近的子路由，其次強退距離最近的子終端。如果自身網(wǎng)絡(luò)深度沒有處于最后一層，直接強退距離最近的子終端。為了節(jié)省能量，可以設(shè)置循環(huán)若干次即中斷循環(huán)。

圖3 依據(jù)地址空間強制退網(wǎng)流程圖

4 實驗分析

由于實際硬件數(shù)量以及場地的限制，本文進行小范圍組網(wǎng)實驗，以評估基于強制子節(jié)點退網(wǎng)的快速組網(wǎng)策略。本文采用Texas Instruments（TI）公司的CC2530節(jié)點進行現(xiàn)場組網(wǎng)實驗。該節(jié)點主要有2.4GHz的RF收發(fā)器以及低功耗8051微控制器內(nèi)核組成，具有很高的接收靈敏度和抗干擾性能，以及可編程的輸出功率，最高達4.5 dBm。

圖4 硬件實驗

實驗部分：首先在3m×3m的室內(nèi)環(huán)境部署6個傳感器節(jié)點組建樹型網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。然后，分別采用IEEE802.15.4協(xié)議的原組網(wǎng)策略和本文提出的快速入網(wǎng)策略，通過將路由節(jié)點斷電制造孤立節(jié)點，測量單個孤立節(jié)點每次入網(wǎng)耗時，進行比較。

實驗結(jié)果如圖5所示，原組網(wǎng)策略，單個孤立節(jié)點入網(wǎng)耗時基本在2.8 s左右。因為實際節(jié)點數(shù)量有限，地址分配空間充足，幾乎不會發(fā)生地址分配失敗，通過分析，主要耗時是孤立狀態(tài)判斷耗時2.1 s左右，單信道掃描耗時0.2 s左右，關(guān)聯(lián)接入耗時0.5 s左右。采用改進的快速組網(wǎng)策略進行試驗，孤立節(jié)點入網(wǎng)時間縮短至0.6 s左右，可能會有小概率次數(shù)出現(xiàn)原語碰撞造成關(guān)聯(lián)接入過程失敗，需要重新入網(wǎng)。

圖5 孤立節(jié)點入網(wǎng)耗時

5 仿真分析

根據(jù)本文分析，仿真試驗場景設(shè)定為300 m×300 m的區(qū)域并隨機布撒若干個節(jié)點，協(xié)調(diào)器位于中間區(qū)域，Cm=7，Rm=3，Lm=5，孤立節(jié)點個數(shù)為10，其他仿真參數(shù)采用默認值。鑒于文獻[15]對單一信道掃描的仿真實驗分析，本文不再重復討論。

圖6 孤立節(jié)點入網(wǎng)耗時

如圖6所示，隨著節(jié)點總數(shù)增大，即網(wǎng)絡(luò)中地址分配空間縮小時，孤立節(jié)點入網(wǎng)時間的變化。從圖中可以看出，當節(jié)點個數(shù)小于100時，地址空間充足，節(jié)點入網(wǎng)耗時和實驗結(jié)果相當。隨著節(jié)點個數(shù)達到125也即飽和度達到50%時，節(jié)點入網(wǎng)平均耗時增加1.1 s左右，隨著節(jié)點個數(shù)持續(xù)增多，由于地址分配空間不足，造成地址分配失敗，導致入網(wǎng)耗時相對增加明顯。當節(jié)點飽和度達到80%以上時，改進后組網(wǎng)策略入網(wǎng)耗時縮減明顯。

圖7 孤立節(jié)點地址分配成功率

如圖7所示，隨著節(jié)點總數(shù)增大，孤立點連接成功率的變化。很明顯，隨著節(jié)點總數(shù)增大，地址分配空間不足，孤立節(jié)點連接成功率逐漸下降。當節(jié)點個數(shù)小于125時即飽和度維持在50%以下時，兩種組網(wǎng)方式都達到了90%以上的連接成功率。隨著節(jié)點飽和度達到90%，改進組網(wǎng)策略相比原組網(wǎng)策略，連接成功率提高10%左右。

圖8 路由節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度對比

如圖8所示，兩種不同組網(wǎng)策略在不同網(wǎng)絡(luò)深度下，路由節(jié)點個數(shù)占比圖。從圖中可以看出，改進組網(wǎng)策略在網(wǎng)絡(luò)深度2、3、4時路由節(jié)點平均占比高于原組網(wǎng)方式3%左右。最后一層網(wǎng)絡(luò)深度，路由節(jié)點占比低于原組網(wǎng)方式10%左右，提高了網(wǎng)絡(luò)路由的健壯性。

6 結(jié)論

文中為滿足應急環(huán)境背景下孤立節(jié)點重新快速入網(wǎng)通信需求，提出一種新的孤立節(jié)點快速入網(wǎng)策略，用于簡化孤立節(jié)點握手機制，減少關(guān)聯(lián)過程地址分配沖突，優(yōu)化路由節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度。通過現(xiàn)場試驗可知，當節(jié)點較少時，通常節(jié)省2.1s左右的入網(wǎng)時間。仿真試驗表明，當節(jié)點飽和度高于90%時，孤立點連接成功率提高10%，進而有效縮短孤立節(jié)點入網(wǎng)時間，并且可以有效優(yōu)化路由節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度，提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。